01-汇编基础（1）

前言

从本篇文章开始，即将给大家分享关于iOS逆向安全攻防等相关的知识点，在分析逆向之前，我们必须掌握关于汇编的相关的知识点，作为逆向学习的一个准备。这篇文章首先给大家讲解一下汇编的一些基础知识点，希望大家能够掌握。

一、初识汇编

1.1汇编发展史

我们先来看看汇编语言的发展史

机器语言

机器语言 由0和1组成的机器指令。例如下面的指令

• 加：0100 0000
• 减：0100 1000
• 乘：1111 0111 1110 0000
• 除：1111 0111 1111 0000

汇编语言

汇编语言称作assembly language，使用助记符代替机器语言，例如

• 加：INC EAX 通过编译器 0100 0000
• 减：DEC EAX 通过编译器 0100 1000
• 乘：MUL EAX 通过编译器 1111 0111 1110 0000
• 除：DIV EAX 通过编译器 1111 0111 1111 0000

那什么是助记符呢？你可以这么理解，助记符就是帮助我们（程序猿）将上面的加减乘除等指令翻译成机器语言0和1的一些符号。

高级语言

接下来就是我们日常开发中使用的高级语言了，称作High-level programming language。例如C\C++\Java\OC\Swift，它们是更加接近于人类的自然语言。

• 加：A+B 通过编译器 0100 0000
• 减：A-B 通过编译器 0100 1000
• 乘：A*B 通过编译器 1111 0111 1110 0000
• 除：A/B 通过编译器 1111 0111 1111 0000

综上所述，语言的一个发展过程大致就是

机器语言0和1 -->助记符-->编译器（负责读取助记符）产生汇编-->高级语言(接近人类的自然语言)

补充：代码执行的过程

代码执行的过程如下图

上图可知：

1. 汇编与机器是一一对应，每一条机器指令都有与之对应的汇编指令
   • 编译：汇编语言可以通过编译得到机器语言
   • 反编译：机器语言可以通过反汇编得到汇编语言
2. 高级语言可以通过编译得到汇编语言 \ 机器语言，但汇编语言\机器语言几乎不可能还原成高级语言

1.2汇编语言的特点

• 可以直接访问、控制各种硬件设备，比如存储器、CPU等，能最大限度地发挥硬件的功能
• 能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制
• 目标代码简短，占用内存少，执行速度快
• 汇编指令是机器指令的助记符,同机器指令一一对应。每一种CPU都有自己的机器指令集\汇编指令集，所以汇编语言不具备可移植性
• 知识点过多，开发者需要对CPU等硬件结构有所了解，不易于编写、调试、维护
• 不区分大小写，比如mov和MOV是一样的

用途

再来安利一下，学习汇编语言能干啥

1. 编写驱动程序、操作系统（比如Linux内核的某些关键部分）
2. 对性能要求极高的程序或者代码片段，可与高级语言混合使用（内联汇编）
3. 软件安全
   • 病毒分析与防治
   • 逆向\加壳\脱壳\破解\外挂\免杀\加密解密\漏洞\黑客
4. 理解整个计算机系统的最佳起点和最有效途径
5. 为编写高效代码打下基础
6. 弄清代码的本质

最后来句装13的话

越底层越单纯！真正的程序员都需要了解的一门非常重要的语言，汇编！

1.3汇编语言的种类

目前讨论比较多的汇编语言有

• 8086汇编（8086处理器是16bit的CPU）
• Win32汇编
• Win64汇编
• ARM汇编（嵌入式、Mac、iOS）

我们iPhone里面用到的是ARM汇编，但是不同的设备也有差异，因CPU的架构不同。

架构	设备
armv6	iPhone, iPhone2, iPhone3G, 第一代、第二代 iPod Touch
armv7	iPhone3GS, iPhone4, iPhone4S,iPad, iPad2, iPad3(The New iPad), iPad mini, iPod Touch 3G, iPod Touch4
armv7s	iPhone5, iPhone5C, iPad4(iPad with Retina Display)
arm64	iPhone5S 以后 iPhoneX , iPad Air, iPad mini2以后

二、必要常识点

在学好汇编之前，首先需要了解CPU等硬件结构

上图是程序（APP）的执行过程

• 硬件相关最为重要是CPU/内存
• 在汇编中,大部分指令都是和CPU与内存相关的

补充：镜像文件

我们知道，在磁盘中我们的应用程序被称作可执行文件，例如pc端的exe，iOS端的exc等，而这个可执行文件被加载到内存中就是镜像文件了。镜像文件其实和可执行文件是一模一样的，因为是从磁盘copy到内存中，所以称作镜像。

2.1 总线

总线是什么？先看下图

上图是苹果A11的CPU芯片，每一个CPU芯片都有很多管脚，这些管脚和总线相连，CPU通过总线跟外部器件进行交互，所以总线是CPU与内存之间的桥梁。

总线：是一根根导线的集合。

总线的分类

总线主要分为三类，如下图所示

• 地址总线：CPU是通过地址总线来指定存储单元的
• 数据总线：CPU与内存/其他部件之间的数据传送通道
• 控制总线：CPU通过控制总线对外部器件进行控制

举例说明

上图是CPU从内存的3号单元读取数据，大致过程是这样的

1. CPU首先要找到内存地址，才能读写内存中的数据。CPU通过地址总线，将3这个地址传递给内存，即寻址到内存的3号单元；
2. 需要操作3单元的数据，还需要确定是读还是写。CPU通过控制总线告诉内存需要进行的操作，例如示例中的是读；
3. 内存接收了CPU想要进行的操作，将3号单元的数据通过数据总线传递给CPU。

至此，整个CPU和内存交互的过程结束。

2.1.1地址总线

地址总线的宽度决定了寻址的能力。
例如：8086的地址总线宽度是20，那么寻址能力就是2的20次方 = 1M（1048576），这是数量单位。

数量单位和数值单位的区别：

1M和1MB

• 1M是数量单位，大小就是上面说的1048576。
• 1MB是数值单位，例如 内存的单位是B（byte字节），市面上卖的内存条512MB，就是512x1024x1024字节，每个字节占8bit大小的空间，即8位。

请看内存条图示

2.1.2数据总线

数据总线的宽度决定了CPU的单次数据传送量，也就是数据传送速度。

• 每条数据线一次只能传输一位二进制数据，例如 8根数据线一次可传送一个8位二进制数据（即1个字节的数据）
• 数据总线是数据线数量之和

例如：8086的数据总线宽度是16，所以单次最大传递2个字节的数据。

吞吐量
还有一个名词叫吞吐量，其实就是CPU的单次数据传送的总量，和宽度是一个意思。

2.1.3控制总线

• 控制总线的宽度决定了CPU对其他器件的控制能力，能有多少种控制，即CPU对外部器件的控制能力
• 控制总线是控制线数量之和

2.2 内存

上面分析总线的时候，提到了内存，那么内存究竟是如何与CPU以及其它设备进行交互的呢？我们先来看看下面这张内存物理结构分布图

上图可知

1. CPU是通过总线和其它硬件设备连接的
2. 内存有RAM主存储器、RAM主存储器（内存条）

下图是按照物理地址划分的内存，有主存储器、显存地址、显卡地址、网卡地址

其中内存中的低地址是给用户用的，高地址是给系统用的

内存地址空间的大小受CPU地址总线宽度的限制。例如：8086的地址总线宽度为20，可以定位2^20个不同的内存单元（即内存地址范围0x00000~0xFFFFF），所以8086的内存空间大小为1MB

• 0x00000~0x9FFFF：主存储器，可读可写
• 0xA0000~0xBFFFF：向显存中写入数据，这些数据会被显卡输出到显示器，可读可写
• 0xC0000~0xFFFFF：存储各种硬件/系统信息，只读

2.3 进制

我们最熟悉的进制就是十进制，接触编程后，又知道了二进制、八进制、十六进制等，具体的意思

• 八进制由8个符号组成:0 1 2 3 4 5 6 7 逢八进一
• 十进制由10个符号组成:0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 逢十进一
• 以此类推：N进制就是由N个符号组成: 逢N进一

2.3.1学习进制的障碍

很多人学不好进制，原因是总以十进制为依托去考虑其他进制，需要运算的时候也总是先转换成十进制，这种学习方法是错误的！
为什么一定要转换十进制呢？仅仅是因为我们对十进制最熟悉，所以才转换。

每一种进制都是完美的，想学好进制首先要忘掉十进制，也要忘掉进制间的转换！

练习：1 + 1 在____情况下等于 3 ?

当然有人会回答 在算错的情况下等于3！哈哈！
我们抛开约定俗成的十进制规则，重新定义10个符号，例如

0 1 3 2 8 A B E S 7 逢十进一

那么，此时1+1=3吗？肯定YES！那么，这么做的目的何在呢?
传统定义的十进制和自定义的十进制不一样。如果我们不告诉别人这10个符号的表，别人是没办法拿到我们的具体数据的，所以这样我们可以用自定义的符号表来加密！

综上所述

十进制由十个符号组成，逢十进一，符号是可以自定义的！！

2.3.2进制的运算规则

做个练习 八进制运算

2 + 3 = __ , 2 * 3 = __ ,4 + 5 = __ ,4 * 5 = __.
277 + 333 = __ , 276 * 54 = __ , 237 - 54 = __ , 234 / 4 = __ .

八进制加法表

 0  1  2  3  4  5  6  7 
10 11 12 13 14 15 16 17
20 21 22 23 24 25 26 27
...

1+1 = 2                     
1+2 = 3   2+2 = 4               
1+3 = 4   2+3 = 5   3+3 = 6
1+4 = 5   2+4 = 6   3+4 = 7   4+4 = 10  
1+5 = 6   2+5 = 7   3+5 = 10  4+5 = 11  5+5 = 12
1+6 = 7   2+6 = 10  3+6 = 11  4+6 = 12  5+6 = 13  6+6 = 14
1+7 = 10  2+7 = 11  3+7 = 12  4+7 = 13  5+7 = 14  6+7 = 15  7+7 = 16

八进制乘法表

0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 25 26 27...
1*1 = 1                     
1*2 = 2   2*2 = 4               
1*3 = 3   2*3 = 6   3*3 = 11    
1*4 = 4   2*4 = 10  3*4 = 14  4*4 = 20
1*5 = 5   2*5 = 12  3*5 = 17  4*5 = 24  5*5 = 31
1*6 = 6   2*6 = 14  3*6 = 22  4*6 = 30  5*6 = 36  6*6 = 44
1*7 = 7   2*7 = 16  3*7 = 25  4*7 = 34  5*7 = 43  6*7 = 52  7*7 = 61

实战：四则运算

   277         236         276         234
+  333       -  54       *  54       /   4
--------    --------    --------    --------    

请大家算算！

2.3.3 二进制的简写形式

       二进制: 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0
三个二进制一组: 101 110 111 100
       八进制:   5   6   7   4
四个二进制一组: 1011 1011 1100
     十六进制:    b    b    c

使用二进制从0写到1111：0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
发现这样使用二进制太麻烦，所以将其改为更简单一点的符号
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 这就是十六进制了

2.4 数据的宽度

数学上的数字，是没有大小限制的，可以无限的大。但在计算机中，由于受硬件的制约，数据都是有长度限制的（我们称为数据宽度），超过最多宽度的数据会被丢弃。
示例

#import 
#import "AppDelegate.h"

int test(){
    int cTemp = 0x1FFFFFFFF;
    return cTemp;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    printf("%x\n",test());
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

断点调试结果可见，cTemp溢出了。

也可以通过获取的地址，然后在菜单栏选择Debug --> Debug Workflow --> ViewMemory中输入地址查看

2.4.1计算机中常见的数据宽度

• 位（Bit）：1个位就是1个二进制位，即0或1
• 字节（Byte）：1个字节由8个Bit组成，内存中的最小单元Byte
• 字（Word)：1个字由两个字节组成（16位），第2个字节分别称为高字节和低字节
• 双字（DoubleWord）:1个双字由两个字组成（32位）

那么计算机存储数据，它会分为有符号数和无符号数。那么关于这个看下图就理解了!

• 无符号数，直接换算
• 有符号数，符号放在第1位，第1位是0即正数，为1即负数：

正数：0 1 2 3 4 5 6 7
负数：F E D B C A 9 8
表示：-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

练习

1. 现在有10进制数 10个符号分别是：2，9，1，7，6，5，4， 8，3 , A 逢10进1 那么： 123 + 234 = ____AA6

我们可以把自定义的十进制写出来，然后查表，逢十进一，

十进制:    0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
自定义:    2  9  1  7  6  5  4  8  3  A
         92 99 91 97 96 95 94 98 93 9A
         12 19 11 17 16 15 14 18 13 1A
         72 79 71 77 76 75 74 78 73 7A
         62 69 61 67 66 65 64 68 63 6A
         52 59 51 57 56 55 54 58 53 5A
         42 49 41 47 46 45 44 48 43 4A
         82 89 81 87 86 85 84 88 83 8A
         32 39 31 37 36 35 34 38 33 3A
         922

对照着常规的十进制，做一个转换，即可得出答案。

2. 现在有9进制数 9个符号分别是：2，9，1，7，6，5，4， 8，3 逢9进1 那么： 123 + 234 = ____9926
   同理

十进制:    0  1  2  3  4  5  6  7  8  
自定义:    2  9  1  7  6  5  4  8  3  
         92 99 91 97 96 95 94 98 93 
         12 19 11 17 16 15 14 18 13 
         72 79 71 77 76 75 74 78 73 
         62 69 61 67 66 65 64 68 63 
         52 59 51 57 56 55 54 58 53 
         42 49 41 47 46 45 44 48 43 
         82 89 81 87 86 85 84 88 83 
         32 39 31 37 36 35 34 38 33 
         922

2.5 CPU&寄存器

内部部件之间由总线连接

CPU除了有控制器、运算器还有寄存器。其中寄存器的作用就是进行数据的临时存储。

什么是寄存器？它的作用是什么？

CPU的运算速度是非常快的，为了性能CPU在内部开辟一小块临时存储区域，并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中，运算时就在这一小快临时存储区域内进行。我们称这一小块临时存储区域为寄存器。

对于arm64系的CPU来说， 如果寄存器以x开头则表明的是一个64位的寄存器，如果以w开头则表明是一个32位的寄存器，在系统中没有提供16位和8位的寄存器供访问和使用。其中32位的寄存器是64位寄存器的低32位部分，并不是独立存在的。注意下面2点

1. 对程序员来说，CPU中最主要部件是寄存器，可以通过改变寄存器的内容来实现对CPU的控制
2. 不同的CPU，寄存器的个数、结构是不相同的

2.5.1浮点和向量寄存器

因为浮点数的存储以及其运算的特殊性,CPU中专门提供浮点数寄存器来处理浮点数

• 浮点寄存器 64位: D0 - D31 32位: S0 - S31

现在的CPU支持向量运算.(向量运算在图形处理相关的领域用得非常的多)为了支持向量计算系统了也提供了众多的向量寄存器.

• 向量寄存器 128位:V0-V31

2.5.2通用寄存器

• 通用寄存器也称数据地址寄存器，通常用来做数据计算的临时存储、做累加、计数、地址保存等功能。定义这些寄存器的作用主要是用于在CPU指令中保存操作数，在CPU中当做一些常规变量来使用。
• ARM64拥有32个64位的通用寄存器x0 到 x30，以及XZR(零寄存器)，这些通用寄存器有时也有特定用途`。
  • w0 到 w28 这些是32位的。因为64位CPU可以兼容32位，所以可以只使用64位寄存器的低32位。
  • 比如 w0 就是 x0的低32位！

注意:
了解过8086汇编的同学应该知道，有一种特殊的寄存器段寄存器：CS,DS,SS,ES四个寄存器来保存这些段的基地址，这个属于Intel架构CPU中，在ARM中并没有。

通常，CPU会先将内存中的数据存储到通用寄存器中，然后再对通用寄存器中的数据进行运算。看下面示例
假设内存中有块红色内存空间的值是3，现在想把它的值加1，并将结果存储到蓝色内存空间

1. CPU首先会将红色内存空间的值放到X0寄存器中：mov X0 红色内存空间
2. 然后让X0寄存器与1相加：add X0,1
3. 最后将值赋值给内存空间：mov 蓝色内存空间,X0

2.5.3pc寄存器(program counter)

• pc寄存器也称作指令指针寄存器，它指示了CPU当前要读取指令的地址
• 在内存或者磁盘上，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息
• CPU在工作的时候把有的信息看做指令，有的信息看做数据，为同样的信息赋予了不同的意义
  • 比如 1110 0000 0000 0011 0000 1000 1010 1010
  • 可以当做数据 0xE003008AA
  • 也可以当做指令 mov x0, x8
• CPU根据什么将内存中的信息看做指令？
  • CPU将pc指向的内存单元的内容看做指令
  • 如果内存中的某段内容曾被CPU执行过，那么它所在的内存单元必然被pc指向过

案例演示

下面通过一个例子来演示下pc寄存器的读和写，还是上面的溢出的例子

注意：真机联调！

#import 
#import "AppDelegate.h"

int test(){
    int cTemp = 0x1FFFFFFFF;
    return cTemp;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    printf("%x\n",test());
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

运行，demo中寄存器种类如下所示

然后我们来看看汇编代码

pc寄存器调试

接下来我们尝试调试下pc寄存器。首先在控制台打印pc寄存器地址，指令

register read pc

当前pc寄存器的内存地址是0x0000000100ac9520。按住control+Step into，走到下一步指令，继续打印

pc寄存器的内存地址是0x0000000100ac9524，再继续

pc寄存器的内存地址是0x0000000100ac9528。

所以，一条指令在内存中占用4字节大小的空间。

写
除了读pc寄存器地址外，当然还可以写。

首先断点端在第一行

接着输入写的指令

register write pc 0x10260151c

上图中，register read pc 此时是读不出来的，因为断点断住了，如果step into，此时断点断在哪里？

最终通过验证发现，会断在0x10260151c的下一行，说明pc寄存器中执行完成了0x10260151c这个地址对应的指令，然后走到下一条指令，所以0x102601520中的指令是没有执行的。

高速缓存

iPhoneX上搭载的ARM处理器A11它的1级缓存的容量是64KB，2级缓存的容量8M.

CPU每执行一条指令前都需要从内存中将指令读取到CPU内并执行。而寄存器的运行速度相比内存读写要快很多,为了性能,CPU还集成了一个高速缓存存储区域.当程序在运行时，先将要执行的指令代码以及数据复制到高速缓存中去(由操作系统完成).CPU直接从高速缓存依次读取指令来执行.

2.5.4 bl指令

• CPU从何处执行指令是由pc中的内容决定的，我们可以通过改变pc的内容来控制CPU执行目标指令
• ARM64提供了一个mov指令（传送指令），可以用来修改大部分寄存器的值，比如
  • mov x0,#10、mov x1,#20
• 但是，mov指令不能用于设置pc的值，ARM64没有提供这样的功能
• ARM64提供了另外的指令来修改PC的值，这些指令统称为转移指令，最简单的是bl指令

bl指令练习

现在有两段代码!假设程序先执行A,请写出指令执行顺序.最终寄存器x0的值是多少?

_A:
    mov x0,#0xa0
    mov x1,#0x00
    add x1, x0, #0x14
    mov x0,x1
    bl _B
    mov x0,#0x0
    ret

_B:
    add x0, x0, #0x10
    ret

我们直接上机实操。
首先将上面的汇编代码写到工程之中 com+n --> empty --> asm.s（.s代表是汇编代码文件）

接着写入汇编代码

.text
.global _A,_B

_A:
    mov x0,#0xa0
    mov x1,#0x00
    add x1, x0, #0x14
    mov x0,x1
    bl _B
    mov x0,#0x0
    ret

_B:
    add x0, x0, #0x10
    ret

注意：需要声明下面2行
.text
.global _A,_B

接着执行 如何让汇编代码跑起来呢？

1. 在你需要调用的地方，先声明函数（例如VC中）

cmd+b编译，能成功！

2. 在A()执行处加断点，并执行程序，开启汇编调试

上图可见，进入的汇编就是我们之前写的_A函数汇编代码！

调试汇编

接下来开始lldb调试，下面是一步步到0x0的过程

首先执行下一步，查看寄存器的值

接着往下走

再接下来走

接着进入函数B（按住control键step into到B函数）

接着往下执行指令

继续往下执行，回到了A函数

再接着往下走，会发现在最后2条指令之间死循环了！why？请看下一篇！

总结

本篇文章开始带大家了解了下汇编的发展史和特点，然后探讨了cpu和内存及其他硬件，是通信总线进行数据的交换处理，最后重点示例分析了寄存器，带大家通过lldb指令对pc寄存器进行读和写，以及bl指令的调试，希望大家能够动手实操一遍，加深印象，感谢阅读！