汇编笔记一 : 初始汇编

汇编语言百度百科词条:

image.png

机器语言

由0和1组成的机器指令.

汇编语言(assembly language)

由于机器语言指令都是由01组成,难以编写,记忆和维护程序.所以汇编语言为了解决这一问题产生。
汇编语言的主体是汇编指令,汇编指令是机器指令的助记符。
使用助记符代替机器语言

高级语言(High-level programming language)

C\C++\Java\OC\Swift,更加接近人类的自然语言
比如C语言:

大家都知道我们的代码在终端设备上执行的过程,如下:

15193669666308.jpg
  • 汇编语言机器语言一一对应,每一条机器指令都有与之对应的汇编指令
  • 汇编语言可以通过编译得到机器语言机器语言可以通过反汇编得到汇编语言
  • 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

汇编语言的组成

  • 1、汇编指令(机器码的助记符,有对应的机器码);
  • 2、伪指令(由编译器执行)和其他符号(由编译器识别)。

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

汇编的用途

  • 编写驱动程序、操作系统(比如Linux内核的某些关键部分)
  • 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)
  • 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
  • 理解整个计算机系统的最佳起点和最有效途径
  • 为编写高效代码打下基础
  • 弄清代码的本质
    • 函数的本质究竟是什么?
    • ++a + ++a + ++a 底层如何执行的?
    • 编译器到底帮我们干了什么?
    • DEBUG模式和RELEASE模式有什么关键的地方被我们忽略

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

几个必要的常识

  • 要想学好汇编,首先需要了解CPU等硬件结构
  • APP/程序的执行过程
15193672391363.jpg
  • 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

总线

CPU 背面的管脚.jpg
  • 每一个CPU芯片都有许多管脚,这些管脚和总线相连,CPU通过总线跟外部器件进行交互

  • 总线:总线是连接CPU和其他芯片的导线,可以理解为一根根导线的集合

  • 总线按逻辑划分为:

    • 地址总线
    • 数据总线
    • 控制总线
  • 地址总线

    • 它的宽度决定了CPU的寻址能力
    • 8086的地址总线宽度是20,所以寻址能力是1M( 2^20 )
  • 数据总线

    • 它的宽度决定了CPU的单次数据传送量,也就是数据传送速度
    • 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
      注:一次能传送的数据量也称为吞吐量,32位 CPU 一次可以传 4 个字节的数据, 64 位的可以传 8个字节,OC 中的对象传送的即为 指针,在 64 位 CPU 中位8个字节,通电一次即可传送完毕,所以效率高,32位的则需要两次。
  • 控制总线

    • 它的宽度决定了CPU对其他器件的控制能力、能有多少种控制
image
  • CPU从内存单元中读写数据的过程:

      1. CPU 通过地址总线获取要读或写的内存地址。
      1. 控制总线发出读或写的命令。
      1. 数据总线接收到命令,通过地址总线传输的地址去相应的内存中读出/写入数据。

    注:CPU 读取数据并不会直接运算,先放入寄存器中,再进行运算,运算完成以后再写入内存。

小结

1、汇编指令是机器指令的助记符,与机器指令一一对应。
2、每一种CPU都有自己的汇编指令集,因为CPU 的架构不同。
3、CPU可以直接使用的信息在寄存器中存放。
4、在存储器中指令和数据都是二进制信息。
5、存储单元从0开始顺序编号。
6、一个存储单元可以存储8个bit,即 1B。
7、bit 、B、KB、MB、GB等单位之间的转换。

1 GB == 1024 MB
1 MB == 1024 KB
1 KB = 1024 B(Byte 字节)
1 B(Byte) = 8bit(二进制位)

8、CPU管脚和总线相连。总线的宽度表示CPU不同方面的性能:

  • 地址总线的宽度决定了CPU的寻址能力;
  • 数据总线的宽度决定了CPU与其他器件进行一次数据传送的量;
  • 控制总线宽度决定了CPU对系统中其他器件的控制。

小练习

  • 一个CPU 的寻址能力为8KB,那么它的地址总线的宽度为____
  • 8080,8088,80286,80386 的地址总线宽度分别为16根,20根,24根,32根.那么他们的寻址能力分别为多少____KB, ____MB,____MB,____GB?
  • 8080,8088,8086,80286,80386 的数据总线宽度分别为8根,8根,16根,16根,32根.那么它们一次可以传输的数据为:____B,____B,____B,____B,____B,
  • 从内存中读取1024字节的数据,8086至少要读____次,80386至少要读取____次.

答案

练习答案

阐释:

1 GB == 1024 MB
1 MB == 1024 KB
1 KB = 1024 B(Byte 字节)
1 B(Byte) = 8bit(二进制位)

(1)地址总线的宽度决定了CPU的寻址能力
如:
8086的地址总线宽度是20,所以寻址能力是1M( 2^20 )
2 跟总线的话,能表达最大地址就是二进制 11 ,也就是四个字节Byte ==4 个内存单元 == 4B(0-3) == 2^2.

>再例如:8 根地址总线,2^8 == 256,能表示的数字就是 0—255.
256个字节。

8 KB == 8*1024 字节(Byte) == 8192 == 2^13.

(5)直接算:2^16 = 64 *1024 B = 64 KB
2^20 == 1 MB
2^24 = 16 MB
2^32 = 4096 MB = 4G

(6) 8 根就是 8 bit (二进制位)== 1 个内存单元 == 1 B
(7) 8086 数据总线是 16 根,一次最多读取 2 B,那么
1024 字节/Byte  就需要 1024/2 = 512 次。
80386 是 32 根,数据总线刚好比 8086 多了一倍,就需要512/2 = 256 次。 
image

内存

主板结构
内存划分

内存区域划分

(从上至下,低地址—>高地址:FFFFF == 16^5 == 245==1 MB,低地址给主存储器使用,高地址供系统使用)

  • 内存地址空间的大小受CPU地址总线宽度的限制。8086的地址总线宽度为20,可以定位2^20个不同的内存单元(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

进制

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.
我们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!

二、八、十六进制都是完美的进制,相互之间可以转换。

进制的定义

  • 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
  • N进制就是由N个符号组成:逢N进一

进制的运算

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

百度文库各进制乘法表
https://wenku.baidu.com/view/ee774a731ed9ad51f01df252.html

实战四则运算

(查表,跟小学学的加减乘除背的九九乘法表一个道理)

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

答案:(自己算的,如果要专业的背下来最好,可能一时有点转不过来)

632、162、20250、47

二进制的简写形式

二进制、八进制、十六进制之间的转换。

       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

二进制:从0 写到 1111
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
这种二进制使用起来太麻烦,改成更简单一点的符号:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 这就是十六进制了

(古称:半斤八两)

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。

#import <UIKit/UIKit.h>
#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]));
    }
}

计算机中常见的数据宽度

  • 位(Bit): 1个位就是1个二进制位.0或者1
  • 字节(Byte): 1个字节由8个Bit组成(8位).内存中的最小单元Byte.
  • 字(Word): 1个字由2个字节组成(16位),这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.那么关于这个看图就理解了!

15178439312380.jpg
无符号数,直接换算!
有符号数:
正数:  0    1    2    3    4    5    6    7 
负数:  F    E    D    B    C    A    9    8
      -1   -2   -3   -4   -5   -6   -7   -8

寄存器 (register)

内部部件之间由总线连接

15193738988252.jpg

  • 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
  • 不同的CPU,寄存器的个数、结构是不相同的

通用寄存器

  • ARM64拥有有31个64位的通用寄存器 x0 到 x30(其实是x0—x28),这些寄存器通常用来存放一般性的数据,称为通用寄存器(有时也有特定用途)

    • 那么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:x0-x28,还有 fp 、lr 一共31 个寄存器,一般把 fp 看做 x29, lr 看做 x30 寄存器,下图 pc 寄存器可以看到,sp 和 pc 不属于通用寄存器
通用寄存器
  • 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

  • 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

    读取运算过程
*   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
*   然后让X0寄存器与1相加:add X0,1
*   最后将值赋值给内存空间:mov 蓝色内存空间,X0

pc寄存器(program counter)

pc寄存器
  • 为指令指针寄存器,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

注:汇编没有开辟、销毁空间一说,它是直接操控 CPU 和内存。
如果调试过程中要查看某个内存地址的值,可以在Debug->Debug workflow->ViewMemory 中查看,快捷键 Command + shift + M

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

C4

关于CPU的补充

寄存器

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。

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。

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.

弥补寄存器的运行速度和内存读写速度之间的差距,提高速度,性能。

寄存器 --> L1 高速缓存 --> L2 高速缓存 --> L3 高速缓存 --> 内存 --> 磁盘

寄存器的补充

寄存器划分

数据地址寄存器

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中

  • 64位: X0-X30, XZR(零寄存器)
  • 32位: W0-W30, WZR(零寄存器)

注意:
之前讲解8086汇编中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,现在Intel架构CPU中也没有段寄存器了,只是文件中分段。

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
image.png

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
image.png
最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 151,829评论 1 331
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 64,603评论 1 273
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 101,846评论 0 226
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 42,600评论 0 191
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 50,780评论 3 272
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 39,695评论 1 192
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,136评论 2 293
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 29,862评论 0 182
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 33,453评论 0 229
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 29,942评论 2 233
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 31,347评论 1 242
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 27,790评论 2 236
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,293评论 3 221
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 25,839评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,448评论 0 181
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 34,564评论 2 249
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 34,623评论 2 249