《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第四课 - 机器级别的程序

Lecture 05 Machine Level Programming I Basics 机器级别的程序

文章目录

  • Lecture 05 Machine Level Programming I Basics 机器级别的程序
    • intel 处理器的历史和体系结构
      • 芯片的构成
      • AMD 公司(Advanced Micro Devices,先进的微型设备)
    • C, 汇编, 机器代码
      • 定义
      • 汇编/机器代码
      • C程序转换为目标代码
      • 编译为汇编代码
      • 汇编的特性:数据类型
      • 汇编的特性:操作
      • 机器指令解析示例
      • 反汇编代码
        • 反汇编器 objdump
        • 反汇编 gdb
    • 汇编基础:寄存器,操作数,移动
      • 寄存器
      • 移动数据 mov
      • 简单的内存地址模式
        • 地址模式示例
      • 实际中交换方法
    • 完整的内存地址模式
    • 地址计算指令 `lea`
      • 示例
    • 算术运算 和 逻辑运算
      • 示例
    • 《深入理解计算机系统》书籍学习笔记

intel 处理器的历史和体系结构

  • 复杂指令集电脑(complex instruction set computer)
  • 精简指令集电脑 Reduced Instruction Set Computers(RISC)

芯片的构成

broadwell 型号模型:
在这里插入图片描述

  • 一个芯片有多个内核。
  • 芯片的边缘有许多接口连接其余的设备。
  • DDR是连接到主存储器的方式,即所谓的DRAM 动态 RAM。
  • PCI 是与外围设备的连接。
  • SATA 是与不同类型盘的连接。
  • 以太网接口,连接到一个网络。

因此,所有集成到单个芯片上的不仅仅是处理器本身,而是很多逻辑单元粘在一起所组成的更大的系统。

AMD 公司(Advanced Micro Devices,先进的微型设备)

紧随Intel公司的后面,相对落后一点,但是价格便宜。

C, 汇编, 机器代码

定义

  • 架构(ISA: Instruction set architecture, 指令集架构)
    需要理解或编写汇编/机器代码的处理器设计部分。

指令和指令集:这是编译器的目标,为你提供一系列指令,告诉机器确切地做什么。
发明硬件地人们想到了各种巧妙地实施指令方式,其中一些非常快,但需要大量地硬件,有些很慢,但根本不需要太多硬件。因此他们设法创建了这种称为指令集架构地抽象。
编译器地目标就是他们。
而如何最好地实现它是硬件研究者地工作。

  • 微架构
    对架构的补充。
    低级别地东西,如何实现它被称为微结构

  • 代码形式

    • 机器代码
      处理器执行的字节级程序。
    • 汇编代码
      机器代码的文本表示形式。

一些指令架构集:
* intel: x86,IA32, Itaniu, x86-64.
* ARM (Acorn RISC Machine,橡树种子精简指令机器)
ARM指令体系结构。
他们向公司出售使用其涉及的许可权力,他们真正卖的是知识产权而不是芯片。

汇编/机器代码

在这里插入图片描述

处理器部分:

  • PC: Program counter 程序计数器
    存储下一条指令的地址。

  • Register file 寄存器文件,寄存器集
    大量使用的程序文件

  • Condition Code 条件码
    状态寄存器。
    存储最近的算术或者逻辑运算的结果状态:产生的值为0?为正值或者负值?
    用于实现条件分支

存储部分:

  • Memory 内存
    字节可寻址数组
    代码和用户数据
    用于支持程序的堆栈

内存是你可以逻辑地认为只是一个字节数组,这就是机器程序员所看到的。
如前所述,它实际上是一种用不同方式实现虚构对象,操作系统和硬件之间存在一种协作,他们称之为虚拟内存,使处理器上运行的每个程序看起来拥有自己独立的字节数组,它们可以访问。即使它们实际上在物理内存内部都是共享这些字节数组。

C程序转换为目标代码

你有一个程序,是c程序,包含多个文件,将使用一些库代码。
编译过程:将你写的代码内容,转换为机器代码,并将其与编译后的,编译器为库生成合并代码,最终生成一个文件,可执行文件。
在这里插入图片描述

步骤:

  • 文本形式的c程序文件,通过编译器生成文本形式的汇编代码
  • 汇编代码,通过汇编器生成二进制的目标程序(字节形式)
  • 通过链接器,将不同的文件融合在一起,包含你单独的文件,已编译版本和库代码,最终生成一个可执行程序。
  • 实际有一些库在程序首次开始执行时动态导入的。

汇编器:

  • .s汇编文件转换为.o目标文件
  • 二进制编码指令
  • 几乎完整的可执行代码映像
  • 缺少不同文件中代码之间的链接(链接器来完成)

链接器:

  • 解决文件之间的引用
  • 与静态运行时(run-time)库结合使用,例如:malloc(),printf()等
  • 一些库是动态链接的。当程序开始执行时链接。

编译为汇编代码

  • c编码
long plus(long x, long y);void sumstore(long x, long y, long *dest)
{long t = plus(x,y);*dest = t;
}
  • 汇编码
    运行命令,生成汇编代码: gcc -Og -S sum.c

-Og: O optimize 优化。指定编译器做什么样的优化的规范。
如果不给它指示,它将生成完全未经过优化的代码,实际上很难读该代码,它的运行过程非常繁琐。
-O1: 这是过去打开优化器的过程,gcc 做了很多优化,为了优化目的,使代码很难理解。
因此,最近几代GCC中的一个出现这个名未g的调式级别

	.file	"sum.c".text.globl	sumstore.type	sumstore, @function
sumstore:
.LFB0:.cfi_startprocpushq	%rbx.cfi_def_cfa_offset 16.cfi_offset 3, -16movq	%rdx, %rbxcall	plusmovq	%rax, (%rbx)popq	%rbx.cfi_def_cfa_offset 8ret.cfi_endproc
.LFE0:.size	sumstore, .-sumstore.ident	"GCC: (GNU) 8.5.0 20210514 (Red Hat 8.5.0-15.0.2)".section	.note.GNU-stack,"",@progbits

以句点开头的.,这些实际上指示它们是别的东西,它们与某些被需要的信息有关,要给调试器提供,使他能够定位程序的各个部分,一些信息告诉链接器,这是一个全局定义的函数,还有一些其他信息,我们暂时不需要考虑,忽视这些信息,是它们更具有可读性。

百分号前缀%: 寄存器名称
pushq: 将东西推到栈上。
movq: 将它从一个地方复制到另一个地方。
call:调用一些过程
popq: 和pushq相对的命令,从栈中取出东西。
ret:特定函数的返回。

每一行都是一个指令(用文本写的),每条都将变成目标代码文件中的一个实际指令。

汇编的特性:数据类型

  • 整型数据类型:1,2,4,8 字节
    在整数数据类型,它们不区分符号与无符号的存储方式。
    地址和指针,都是以数字形式存储在计算机中。

  • 浮点数数据类型:4,8,10 字节

  • 代码;一系列指令编码的字节序列

  • 没有聚合类型:数组和结构体
    只是在内存中巧妙地分配了字节

汇编的特性:操作

  • 实现算术运算方法通过寄存器和内存数据

  • 在内存和寄存器之间转换数据

    • 从内存中将数据加载到寄存器
    • 将寄存器的数据存储到内存
  • 转移控制

    • 非条件跳转 到/从 过程
    • 条件分支

机器指令解析示例

  • c代码
    将t的值存存储到dest指定的位置。
*dest = t
  • 汇编代码
movq %rax, (%rbx)

移动8字节值到内存:4字
操作数:

    * t: 寄存器 %rax* dest: 寄存器 %rbx* *dest: 内存 M[%rbx]
  • 目标代码
    3 字节指令。
0x40059e: 48 89 03

存储地址 0x40059e

拓展:
变量的所有名称,在汇编代码级别,机器代码级别完全丢失,东西都变成了寄存器和内存中的某个位置。

反汇编代码

先生成目标代码:gcc -Og sum.c -c

反汇编器 objdump
objdump -d sum.o
  • 用于检查目标代码
  • 分析一系列指令的代码
  • 产生汇编代码的进士索引
  • 可以在a.out(可执行文件) 或者 .o(目标文件)运行

反汇编得到的汇编代码:

0000000000000000 <sumstore>:0:   53                      push   %rbx1:   48 89 d3                mov    %rdx,%rbx4:   e8 00 00 00 00          callq  9 <sumstore+0x9>9:   48 89 03                mov    %rax,(%rbx)c:   5b                      pop    %rbxd:   c3                      retq
反汇编 gdb

gdb 是一个非常强大的调试程序。
你可以单步检查程序并对其中的程序进行一些操作,如果它的源代码可用,可以用它来调试。

安装gdb:

yum install gdb

调试程序:

gdb sum
disassemble sumstore

gdb 作用:

  • 可以单步检查程序并对其中的程序进行一些操作。(源代码调试)
  • 可以用来反汇编

反汇编是一种可以用作任何逆向工程工具的工具。

反汇编Microsoft Word:
Microsoft Word 和其他程序一样,只是一个可执行文件,而那个可执行文件只是一堆编码指令的字节。
如果你能找到文件位置,应用程序的实际可执行文件的位置。

objdump -d WINWORD.EXE

汇编基础:寄存器,操作数,移动

寄存器

在这里插入图片描述

如果使用的是%r 开头的寄存器,你会得到64位。
如果使用的是 %e 开头的寄存器版本,你会得到32位。
%e 版本指示较大%r 实体低32位。
实际用法更多,你也可以引用低阶16位,和低8位。

从IA32 到 x86-64的变化之一是将寄存器数量增加一倍。

移动数据 mov

指令:

movq Source, Dest

操作数类型:

  • 立即数 Immediate: 整型常数
    示例:$0x400, $-533
    和C常量,但是以$为前缀
    编码1,2,4字节

  • 寄存器 Register :16个寄存器中的一个
    示例:%rax, %r13
    %rsp 保留自己的特殊用途
    其他的寄存器有特殊用途对于特殊指令。

  • 内存 Memory: 在寄存器给出的地址上有8个连续字节的内存
    最简单的示例:(%rax)
    各种其他“地址模式”
    在这里插入图片描述

注意事项:

  • 将立即值作为目的地没有意义,它是常数
  • 出于硬件设计者的方便,它不允许你直接从一个内存位置复制到另一个内存位置。
    你需要两个指令,一个从内存中读取值,将其复制到寄存器。第二个是在寄存器中取值并将其写入内存。

q: quad 四字节

简单的内存地址模式

  • 正常模式
(R)  Mem[Reg[R]]

寄存器R指定内存地址。

示例:

movq (%rcx), $rax
  • 位移模式(Displacement)
D(R)  Mem(Reg[R] + D)

寄存器R指定内存区域开始的位置。
常量位移D指出偏移量。

示例:

movq 8(%rbp), %rdx
地址模式示例
  • c语言代码
void swap(long *xp, long*yp)
{long t0 = *xp;long t1 = *yp;*xp = t1;*yp = t0;
}
  • 汇编代码
    运行命令:gcc -S -Og swap.c
swap:movq	(%rdi), %rax  # t0 = *xpmovq	(%rsi), %rdx  # t1 = *ypmovq	%rdx, (%rdi)  # *xp = t1movq	%rax, (%rsi)  # *yp = t0ret

寄存器对应的值:

  • %rdi xp
  • %rsi yp
  • %rax t0
  • %rdx t1

操作流程:
在这里插入图片描述

实际中交换方法

实际中我们只会使用中间变量来进行交换:

void swap(long *xp, long*yp)
{long t0 = *xp;*xp = *yp;*yp = t0;
}

我们用命令得到汇编代码,会发现和上面的汇编代码是一样的。

为什么?
回到前面我们所说的mov指令。它不允许你直接从一个内存位置复制到另一个内存位置。
你需要两个指令,一个从内存中读取值,将其复制到寄存器。第二个是在寄存器中取值并将其写入内存。

所以 *xp = *yp的执行就是:

long t1 = *yp
*xp = t1

所以实际中我们这么只使用一个中间变量进行操作,和使用两个中间变量进行操作并没有多大影响。
只是代码更简洁一点而已。

完整的内存地址模式

  • 常用形式
D(Rb, Ri, S)    Mem[Reg[Rb] + S*Reg[Ri]+D]

D: Displacement, 位移。恒定位移 1,2,4 字节
Rb: Base Register, 基础寄存器。 16个寄存器中的一个。
Ri: Index Register, 索引寄存器。特别是%rsp。
S: Scale, 缩放。 1,2,4,8 固定是这些数。

这是实现数组索引的一种自然方式。
如果这是一组数组索引,我们必须通过我的数据类型的字节数来缩放索引值,如果它是一个int我们必须将索引缩放四倍,如果它是long,我们必须将其缩放八倍。(这就是S必须是1,2,4,8这些数)

  • 特殊形式
    缺失其中一些项。
(Rb,Ri) Mem[Reg[Rb]+Reg[Ri]]	D(Rb,Ri) Mem[Reg[Rb]+Reg[Ri]+D]	(Rb,Ri,S) Mem[Reg[Rb]+S*Reg[Ri]]	

示例:
在这里插入图片描述

0xf000 = 1111 0000 0000 0000
2 * 0xf000 = 二进制左移1位 = 0001 1110 0000 0000 0000 = 0x1e000
2 * 0xf000 = 2 * 15 = 30 = 0x1e000

地址计算指令 lea

lea : load effective address, 加载有效地址。
对上面内存地址模式的运用。

leaq Src, Dst

Src : 地址模式表达式
Dst : 设置dst为用表达式表示的地址

使用:

  • 计算没有内存引用的地址
    例如:p = &x[i]

  • 计算算术表达式: x + k*y
    k = 1,2,4,或8

示例

  • c 代码
long m12(long x)
{return x*12;
}
  • 汇编码
    教程中得到:
leaq (%rdi,%rdi,2), %rax # t <- x+x*2
salq $2, %rax # return t<<2

我得到:

leaq	(%rdi,%rdi,2), %rdx
leaq	0(,%rdx,4), %rax

算术运算 和 逻辑运算

  • 两个操作数的指令
格式 计算
addq Src,Dest Dest = Dest +	Src
subq Src,Dest Dest = Dest - Src
imulq Src,Dest Dest	= Dest * Src
salq Src,Dest Dest = Dest << Src
sarq Src,Dest Dest = Dest >> Src
shrq Src,Dest Dest = Dest >> Src
xorq Src,Dest Dest = Dest ^	Src
andq Src,Dest Dest = Dest &	Src
orq Src,Dest Dest =	Dest | Src
  • 一个操作数的指令
incq Dest Dest = Dest + 1
decq Dest Dest = Dest - 1
negq Dest Dest = - Dest
notq Dest Dest = ~Dest

注意事项:

  • 操作数的顺序与你期望他们的顺序相反,源操作数在前,目的操作数在后面。

示例

  • c代码
long arith(long x, long y, long z)
{long t1 = x+y;long t2 = z+t1;long t3 = x+4;long t4 = y * 48;long t5 = t3 + t4;long rval = t2 * t5;return rval;
} 
  • 汇编代码
leaq	(%rdi,%rsi), %rax      # t1
addq	%rdx, %rax             # t2
leaq	(%rsi,%rsi,2), %rdx    # 3y
salq	$4, %rdx               # t4 = 4 * 3y
leaq	4(%rdi,%rdx), %rcx     # t5
imulq	%rcx, %rax             # rval
  • 寄存器对应的变量
%rdi x
%rsi y
%rdx z
%rax t1,t2,	rval
%rdx t4
%rcx t5

《深入理解计算机系统》书籍学习笔记

《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第一课 - 课程简介
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第二课 - 位,字节和整型
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第三课 - 位,字节和整型
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第四课 - 浮点数
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第四课 - 机器级别的程序

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