20135337—信息安全系统设计基础第四周学习总结

第3章 程序的机器级表示

一、知识点

3.1 X86寻址方式经历的三代

1 DOS时代的平坦模式，不区分用户空间和内核空间，很不安全
2 8086的分段模式
3 IA32的带保护模式的平坦模式

3.2 程序编码

1、ISA 指令集体系结构

定义了处理器状态、指令的格式，以及每条指令对状态的影响

2、

处理器状态

• PC 程序计数器（%eip）：指示将要执行的下一条指令在存储器中的位置。
• 整数寄存器文件：包含8个命名的位置，分别存储32位的值。它们可以存储地址、证书数据，记录程序状态、保存临时数据。
• 条件码寄存器：保存最近执行的算术或逻辑指令的状态信息。

• 浮点寄存器：存放浮点数据

  代码

  获得汇编代码：gcc -S xxx.c -o xxx.s
  反汇编：objdump -d xxx
  在MAC OS中没有objdump指令，用等价功能的otool
  64位机器上想要得到32代码：gcc -m32 -S xxx.c

  二进制文件可以用od 命令查看，也可以用gdb的x命令查看。有些输出内容过多，我们可以使用 more或less命令结合管道查看，也可以使用输出重定向来查看:
  od code.o | more
  od code.o > code.txt

  3.3 数据格式

  b-字节
  w-字
  l-双字（注意：与之后出现的less（少、小、低）区别，此处是long）

  3.4 访问信息

  1、寄存器

  1.数据寄存器

  32位通用寄存器eax、ebx、ecx和edx。
  对低16位数据的存取，不会影响高16位的数据。
  可传送数据、暂存数据保存算术逻辑运算结果，而且也可作为指针寄存器
  低16位寄存器分别命名为:ax、bx、cx和dx。
  *不能作为基址和变址寄存器来存放存储单元的地址。

  2.变址寄存器

  32位通用寄存器esi、edi，低16位对应先前CPU中的si和di。
  *用于存放存储单元在段内的偏移量，也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。

  3.指针寄存器

  32位通用寄存器ebp和esp，低16位对应先前CPU中的sbp和sp。
  *用于存放堆栈内存储单元的偏移量，也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。

  4.指令指针寄存器

  eip、ip
  *存放下次将要执行的指令在代码段的偏移量。

  附

  8位寄存器有： AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH和DL等；
  16位寄存器有：AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP和段寄存器等；
  32位寄存器有：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP和EBP等。
  内存中的变量存储的是其偏移地址

  2、寻址方式

  操作数：立即数（$9）、寄存器(%eax)、存储器
  有效地址=立即数+基址寄存器的值+变址寄存器的值*比例因子

  区别各种寻址方式时，注意各自的特点。（参考：http://www.cnblogs.com/satng/archive/2010/01/15/2138180.html）
  只有一个常量，是立即（数）寻址方式；
  只有一个寄存器名，是寄存器寻址方式；
  其他则是存储器寻址方式。

  • 用中括号括起一个常量是直接寻址方式；
    用中括号括起一个寄存器名，是寄存器间接寻址方式；
    用中括号括起一个寄存器名和一个常量是寄存器相对寻址方式；
    用中括号括起两个寄存器名是基址变址寻址方式；
    用中括号括起两个寄存器名和一个常量是相对基址变址寻址方式。

    3、指令

    1.数据传送指令

    MOV 传送字或字节.
    MOVS 先符号扩展,再传送.
    MOVZ 先零扩展,再传送.
    *源操作数：立即数，存储在寄存器中或者在存储器中
    目的操作数：寄存器、存储器地址。

  PUSH 把字压入堆栈.
  POP 把字弹出堆栈.
  栈顶-此端插入和删除元素。
  栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的。
  栈指针%esp保存着栈顶元素的地址。
  压栈——指针先减，数据再入
  弹栈——数据先出，指针再加

2.目的地址传送指令

leal 加载有效地址。
从存储器读数据到寄存器，将有效地址写入目的操作数。
目的操作数必须是一个寄存器。

3.算术、逻辑运算指令

一元操作：操作数可以是：寄存器、存储器位置

INC 加 1.
DEC 减 1.
NEG 取负
NOT 取补

二元操作：第一个操作数可以是：立即数、寄存器、存储器位置。第二个数可以是：寄存器、存储器位置。（不能同时是存储器位置）

ADD 加法.
SUB 减法.
IMUL 整数乘法.
IDIV 整数除法.

AND 与运算.
or 或运算.
XOR 异或运算.

移位操作：移位量：立即数，或者放在单字节寄存器元素%cl中。目的操作数可以是：寄存器、存储器位置

SHL 逻辑左移.
SAL 算术左移.(=SHL)
SHR 逻辑右移.(高位补0)
SAR 算术右移.(高位补符号)

比较和测试：仅修改标志位,不回送结果

CMP 比较.(两操作数作减法).
TEST 测试.(两操作数作与运算).

条件码寄存器

CF：进位标志
ZF：零标志
SF：符号标志
OF：溢出标志

CMP 比较.(两操作数作减法，右操作数减左操作数).
TEST 测试.(两操作数作与运算).
* 比较和测试仅修改标志位,不回送结果

条件码寄存器不能直接读取，有三种方法：
    set指令：根据条件码，设置一个字节。
    jump指令：根据条件码进行跳转，即控制的条件转移。
    cmov条件传送指令：根据条件码决定是否进行mov操作
*这些指令判断条件是否满足，是根据条件码的组合决定的。
*sete (e:equal）  setl （l:less与之前的long进行区别）

4、语句

*与C语言中的语句功能相同
if-else
do-while
while
for
switch（&—创建一个指向数据值的指针；&&—创建一个指向代码位置的指针；jmp中前缀*—间接跳转）

5、过程

1、栈、栈帧

栈帧——为每一个过程分配的内存空间，它包含两个特殊的参数，栈指针和帧指针。一个指向栈顶一个指向栈低。
栈是向低地址增长的，也就是说，栈的底部在内存的高地址部分。

帧指针：%ebp，指向栈底。
栈指针：%esp，指向栈顶，栈指针可以移动，来分配或释放空间。
    %esp减小——分配空间
    %esp增大——释放空间

2、IA32提供的转移控制指令

以下三个指令缺一不可！！！否则，调用过程就不完整啦！！！
call指令的具体 效果，是将返回地址压入调用者的栈中，作为它的栈里面的最后一个元素，并且将程序计数器eip里面的数值改变为被调用者的地址。

ret指令是从栈中弹出这个返回地址，让程序回到调用之前被调用函数下一条指令继续进行。

leave指令一般在ret指令之前进行，它是为回到返回地址进行一些准备工作，比如回收栈空间，并且重置栈指针和帧指针，因为你调用完成之后是需要把两个重要的指针复位的。
*leave的指令 等价于这两条指令 movl ebp esp , popl ebp。第一条指令的作用就是回收栈空间，把栈顶指针向上移动，和ebp指向同一条指令，ebp现在所指向的内存空间存储的是调用者的 ebp，也就是旧的ebp的值。第二条指令，将旧的ebp值恢复到ebp的寄存器，也就是将帧指针 重新指向调用者的栈底，此时esp因为弹出一个元素的原因 ，向上移动栈指针，正好指向了返回地址的那一块内存空间，此时就可以利用ret命令进行返回了。

3.过程

1.寄存器使用

调用者——%eax、%edx、%ecx
被调用者——%ebx\%esi\%edi

2.具体过程

需要明确，向被调用者传递的参数是存储在调用者的栈中的。

调用者栈的结束边界是在执行call指令的时候将返回地址压入栈中，被调用者栈的起始边界是在保存祯指针%ebp的值之后。

被调用者的栈的起始点都是调用者%ebp的值，为了以后恢复方便。过程调用期间，会通过栈来分配一些自由的内存空间用于存储一些临时的变量，但是在这种类型的分配方式下，是要遵循分配的空间 必须是16字节整数倍这样的 一个规定 ，这是X86编程的一个规定。所以你就会看到，在很多时候，明明分配了很多空间，但是都没用到。
被调用过程在进行的时候，要先将旧的%ebp压入栈中，并且初始化两个栈指针，之后要将一些被调用者保存的寄存器里面的值压入栈中保存，防止在之后的代码中会覆盖这些数据。

6、GDB中bt、frame、up、down的使用（都会打印出移动到的栈层的信息）

bt n
n是一个正整数，表示只打印栈顶上n层的栈信息。
bt -n
-n表一个负整数，表示只打印栈底下n层的栈信息。

frame n
n是一个从0开始的整数，是栈中的层编号。比如：frame 0，表示栈顶，frame 1，表示栈的第二层。

up n
表示向栈的上面移动n层，可以不打n，表示向上移动一层。

down n
表示向栈的下面移动n层，可以不打n，表示向下移动一层。

查看当前栈层的信息，你可以用以下GDB命令：
frame 或 f（会打印出这些信息：栈的层编号，当前的函数名，函数参数值，函数所在文件及行号，函数执行到的语句。）

7、实验楼实践

（更换了函数中的数字为学号。）

汇编：gcc -S five.c
反汇编：objdump -d five.o

思考：把以“.”开头的行的指导汇编器和链接器的命令的开头“.”删去，就是汇编代码了。

该问题已在小组中提问。

二、遇到的问题及解决

1.练习题中出现cmovl和cmovge（参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_5438b6c30100kvvp.html）

解决：CMOVL/CMOVNGE——小于/不大于或者等于——(SF异域OF) = 1

2.练习题29中出现jmp .L7(,%eax,4),不理解括号前已经用标识了此处需要跳转，为什么又要写出括号中的地址？（已在答疑论坛中提问）

我理解的是：L7是跳转表，*指示此处跳到跳转表，括号中的地址是具体跳转到的位置。

3.寻址方式这部分比较绕，不容易理清。

解决：归纳总结。参考http://www.cnblogs.com/satng/

4.阅读书149页的图3-21时，加上书上描述栈、帧指针变化过程，有些绕不清栈和栈帧的关系了。

栈：
栈底指针和栈顶指针（执行时，它在动），栈底位于最下。
一种特殊的数据结构，是一种只能在一端进行插入和删除操作的特殊线性表。
存储原则是先进后出。
对栈的插入与删除操作中，不需要改变栈底指针。
栈是从高地址向低地址延伸的。

栈——相对整个系统而言，调用栈相对某个进程而言。

栈帧——则是相对某个函数而言，调用栈就是正在使用的栈空间，由多个嵌套调用函数所使用的栈帧组成。

栈帧表示程序的函数调用记录，而栈帧又是记录在栈上面。（为单个过程分配的那部分栈称为栈帧）
每个函数的每次调用，都有它自己独立的一个栈帧，这个栈帧中维持着所需要的各种信息。因此栈作用就是用来保持栈帧的活动记录（即函数调用）。
*
参考：http://blog.csdn.net/ylyuanlu/article/details/18947951
http://blog.chinaunix.net/uid-16459552-id-3257539.html

5.过程这部分问题，自己不能很好的归纳总结，理清思路。

调用者caller，被调用者callee。
当caller调用callee时，caller的返回地址被压入栈中，形成caller栈帧的末尾。
返回地址：就是当程序从callee返回时应该继续执行的地方（指令的地址），当被调用过程返回时，程序会从此处继续执行。
callee的栈帧从保存的帧指针的值（%ebp）开始，其后即为其保存的寄存器的值，和callee调用其他过程的参数。

参考：http://blog.csdn.net/livelylittlefish/article/details/5051545
http://m.blog.csdn.net/blog/u010092734/38379391，阅读完之后，发现别人总结的非常清晰。（一些内容在上面的知识点总结体现了）

6.实验楼中出现的

解决：汇编：gcc -S five.c
反汇编：objdump -d five.o

三、其他

做语句这部分的练习题时，只能做到一句句的顺序的读出汇编代码，但是不能准确的对应到C语言代码，只能对比课后答案。希望老师上可以带着练习练习。