20145213《信息安全系统设计》第五周学习总结下篇
20145213《信息安全系统设计》第五周学习总结下篇
教材学习内容总结
- 寻址方式历史
（1）DOS时代的平坦模式
（2）8086的分段模式
（3）IA32的带保护模式的平坦模式 - 程序编码
（1）编译
gcc -01 -o p p1.c
-01：表示使用第一级优化。通常提高优化级别会使最终程序运行得更快，但是编译时间可能会变长，用调试工具对代码进行调试会更困难。（实际中，第二级优化-02被认为是较好的选择）
gcc命令调用一系列程序将源代码转换成可执行代码：- C预处理器 扩展源代码，插入#include命令指定的文件，扩展#define声明指定的宏。(.i)
- 编译器 产生两个源代码的汇编代码。(.s)
- 汇编器 将汇编代码转化成二进制目标代码(.o)
- 连接器 将两个目标代码与实现库函数的代码合并，并产生最终的可执行代码文件。
（2）两种抽象
计算机系统使用了多种不同形式的抽象，利用更简单的抽象模型来隐藏实现的细节。对于机器级编程来说，两种抽象尤为重要：
机器级程序的格式和行为，定义为 ISA ：指令集体系结构。
处理器的硬件并发的执行许多指令，但是可以采取措施保证整体行为与ISA指定的顺序整形完全一致。
解决的问题：
指令的编码方式（即如何编码）
操作数和操作结构的存放位置
数据的类型和大小
支持哪些操作
下一条指令的地址
机器级程序使用的存储器地址是虚拟地址，提供的存储器模型看上去是一个非常大的字节数组。
（3）IA32机器代码
一些通常对C语言程序员隐藏的机器代码在IA32中是可见的：
程序计数器（在IA32中，通常称为“PC”，用%eip表示）
指示将要执行的下一条指令在存储器中的地址。
整数寄存器
包含8个命名的位置，分别存储32位的数值，这些寄存器可以存储地址（对应C语言的指针）或整数数据，有的寄存器被用来记录某些重要的程序状态，其他的寄存器用来保存临时数据，例如过程的局部变量和函数的返回值。
条码寄存器
保存着最近执行的算术或逻辑指令的状态信息，他们用来实现控制或数据流中的条件变化。
浮点寄存器
一组浮点寄存器存放浮点数据
一条机器指令只执行一个非常基本的操作
获得汇编代码：
gcc -S xxx.c -o xxx.s
反汇编：
objdump -d xxx
汇编代码（函数前两条和后两条汇编代码，所有函数都有，建立函数调用栈帧）：
前两条：
pushl %ebp 将寄存器%ebp的内容压入程序栈
movl %esp,%ebp 得到新栈低，将当前栈顶赋予栈低
后两条：
popl %ebp 过程调用结束，恢复旧栈低
ret 子程序的返回指令
注意：
64位机器上想要得到32代码：gcc -m32 -S xxx.c
MAC OS中没有objdump, 有基本等价的命令otool
Ubuntu中 gcc -S code.c （不带-O1） 产生的代码更接近教材中代码（删除"."开头的语句）
（5）机器代码和它的反汇编表示的一些特性
IA32指令长度从1到15个字节不等
设计指令格式的方式是，从某个给定位置开始，可以将字节唯一的解码成机器指令
反汇编器只是基于机器代码文件中的字节序列来确定汇编代码，不需要访问程序的源代码或汇编代码
反汇编器使用的指令命名规则与GCC生成的汇编代码使用的有些差别
3. 数据格式
（1）Intel（由16位体系扩展为32位）
字（word） 16位
双字（double words） 32位
四字（quad words） 64位
（2）C语言数据类型在IA32中的大小
IA32不支持64位整数运算
大多数GCC生成的汇编代码指令都有一个字符后缀，表明操作数的大小。
4. 访问信息
（1）IA32的整数寄存器
一个IA32的中央处理器单元包含一组8个存储32位数值的寄存器。所有八个寄存器都可以作为16位（字）或32位（双字）来访问。
%esi，%edi可以用来操纵数组
%esp，%ebp用来操纵栈帧。```
可以独立访问前四个寄存器的两个低位字节（后向兼容）。
32位的%eax,16位的%ax,8位的%ah，%al都是独立的
（2）操作数指示符
操作数三种类型
立即数，即常数值
寄存器，表示某个寄存器的内容
存储器，根据计算出来的地址（有效地址）访问某个存储器位置。
有效地址的计算方式
Imm(Eb,Ei,s) = Imm + R[Eb] + R[Ei]*s```
（3）数据传送指令
符号 意义
r8 任意一个8位通用寄存器AH/AL/BH/BL/CH/CL/DH/DL
r16 任意一个16通用寄存器AX/BX/CX/DX/SI/DI/BP/SP
reg 代表r8或r16
seg 段寄存器CS/DS/ES/SS
m8 一个8位存储器操作数单元（包括所有主存寻址方式）
m16 一个16位存储器操作数单元（包括所有主存寻址方式）
mem 代表m8或m16
i8 一个8位立即数
i16 一个16位立即数
imm 代表i8或i16
dest 目的操作数
src 源操作数
mov指令（指令的第一个是源操作数，第二个是目的操作数）
MOV reg/mem,imm 立即数送寄存器或是存储器
MOV reg/mem/seg,reg 寄存器送寄存器（包括段寄存器）或贮存
MOV reg/seg,mem 主存送寄存器（包括段寄存器）
MOV reg/mem,seg 段寄存器送主存或寄存器
IA32的限制：两个操作数都不能指向存储器。
不能从内存地址直接MOV到另一个内存地址，要用寄存器中转一下。
push与pop
先进后出：push将数据压入栈中，pop弹出，弹出的永远是最近被压入的。用数组实现栈，进行操作的一端为栈顶。
栈向下增长，栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的。栈指针%esp保存栈顶元素的地址。
进栈指令PUSH:
PUSH reg/mem/seg SP←SP-2,SS←reg/mem/seg
- 进栈指令先使堆栈指令SP减2，然后把一个字操作数存入堆栈顶部。
- 堆栈操作的对象只能是字操作数。
- 进栈时，底字节存放于低地址，高字节存放在高地址，SP相应向低地址移动两个字节单元。
出栈指令POP：
POP reg/seg/mem reg/seg/mem←SS:[SP],SP←SP+2
- 出栈指令把栈顶的一个字传送至指定的目的操作数，然后堆栈指针SP加2。
- 目的操作数应为字操作数。
- 字从栈顶弹出时，低地址字节送低字节，高地址字节送高字节。
（4）数据传送与C语言
C语言中“指针”其实就是地址。间接引用指针就是将该指针放在一个寄存器中，然后在存储器引用中使用这个寄存器。
局部变量通常是保存在寄存器中，而不是存储器中。寄存器访问比存储器访问要快得多。
5. 算术和逻辑操作
（1）加载有效地址指令
是movl指令的变形
指令形式：从存储器读取到寄存器
实际上是将有效地址写入目的操作数。
leal指令通常用来执行简单的算术操作
（2）一元操作和二元操作
一元操作
- INC 加1
- DEC 减1
- NEG 取负
- NOT 取补
只有一个操作数，既是源又是目的，可以是一个寄存器，或者存储器位置。
二元操作
- ADD 加
- SUB 减
- IMUL 乘
- XOR 异或
- OR 或
- AND 与
第一个操作数可以是立即数、寄存器或者存储器位置
第二个操作数既是源也是又是目的。可以是寄存器或者存储器位置，但是不能同时是存储器位置。
注意操作的顺序：
第二个操作数 操作符 第一个操作数
（3）移位操作
先给出移位量，第二项给出要移位的数值。
- SAL 左移
- SHL 左移（等同于SAL）
- SAR 算术右移
- SHR 逻辑右移
源操作数（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：一个寄存器或是一个存储器位置。
（4）特殊操作
乘法
乘积截断
imull 双操作数
- 从两个32位操作数产生一个32位的乘积。
乘积不截断
mull 无符号数乘法
imull 有符号数乘法
- 要求一个参数必须在寄存器%eax中，另一个作为指令的源操作数给出。
- 乘积的高32位在%edx中，低32位在%eax中。
除法
有符号除法
idivl 操作数
- 将DX:AX中的64位数作为被除数，操作数中为除数
- 结果：商在AX中，余数在DX中。
无符号除法
divl指令
- 通常会事先设定寄存器%edx为0.
6. 控制
（1）状态寄存器（条件码寄存器）
常用条件码：
CF：进位标志。最近操作使最高位产生进位。用于检查无符号操作数的溢出。
ZF：零标志。最近操作结果为0。
SF：符号标志。最近操作得到的结果为负数。
OF：溢出标志。最近操作导致一个补码溢出。
leal 不改变条件码寄存器
比较和测试指令：不修改任何寄存器的值，只设置条件码
（2）访问条件码
常用的使用方法：
根据条件码的某个组合，将一个字节设置为0或1。
SET指令：执行比较指令，根据计算t=a-b的结果设置条件码
可以条件跳转到程序的某个其他部分
switch语句可以根据一个整数索引值进行多重分支。处理具有多种可能结果的测试时，这种语句特别有用。
优点：提高了代码的可读性；使用跳转表这个数据结构使用实现更加高效。
跳转表：是一个数组，表项i是一个代码段的地址，这个代码段实现当switch索引值等于i时程序应该执行的动作。程序代码用于索引值来执行一个跳转表内的数组引用，确定跳转指令的目标。和使用一组很长的if-else相比，使用跳转表的优点是执行switch语句的时间与switch的case数量无关。GCC根据switch语句中case的数量和case中值的稀少程序来翻译开关语句。当case数据比较多（例如4个以上），并且值的范围跨度比较小时，就会使用跳转表。
执行switch语句的关键步骤是通过跳转表来访问代码位置。
7. 过程
（1）概述
一个过程调用包括将数据和控制从代码的一部分传递到另一部分，需要在进入时为过程的局部变量分配空间，并在退出时释放这些空间。
数据传递、局部变量的分配和释放通过操纵程序栈来实现。
（2）栈帧结构
栈帧： 为单个过程分配的那部分栈
最顶端的栈帧以两个指针界定：
- 寄存器%ebp为帧指针
- 寄存器%esp为栈指针
程序执行时，栈指针可以移动，大多数信息的访问都是相对于帧指针的。
栈向低地址方向增长，栈指针%esp指向栈顶元素：
- 栈指针值适当减小可以分配没有指定初始值的数据的空间
- 类似的，可以通过增加栈指针来释放空间
（3）转移控制
call指令
目标：指明被调用过程起始的指令地址。
效果：将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处。
ret指令
从栈中弹出地址，并跳转到这个位置.
使用这个指令时，栈指针要指向前面call指令存储返回地址的位置。
leave
这个指令可以使栈做好返回的准备
等价于：
movl %ebp,%esp
popl %ebp
（4）寄存器使用惯例
程序寄存器组是唯一能被所有过程共享的资源。
为什么必须遵守惯例：必须保证一个过程（调用者）在调用另一个过程（被调用者）时，被调用者不会覆盖某个调用者寄存器中的值。
惯例:
- %eax,%edx,%ecx 划分为调用者保存寄存器
- %ebx,%esi,%edi 划分为被调用者保存寄存器
- %ebp,%esp 保持寄存器
- %eax 保存函数返回值
（5）递归过程
当过程被调用时分配局部存储，返回时释放存储。
# 代码截图
## 学习进度条
| | 代码行数（新增/累积）| 博客量（新增/累积）|学习时间（新增/累积）|重要成长|
| -------- | :----------------:|:----------------:|:---------------: |:-----:|
| 目标 | 5000行 | 30篇 | 400小时 | |
| 第一周 | 0/0 | 1/1 | 10/10 | |
| 第二周 | 0/0 | 1/2 | 10/20 | |
| 第三周 | 0/0 | 1/3 | 10/30 | |
| 第四周 | 0/0 | 1/4 | 10/40 | |
| 第五周 | 100/100 | 3/7 | 10/40 | |
## 参考资料
[Linux基础入门](https://www.shiyanlou.com/courses/1)
[别出心裁的Linux命令学习法](http://www.cnblogs.com/rocedu/p/4902411.html)
[深入理解计算机系统](https://www.shiyanlou.com/courses/413)
[学长博客](http://www.cnblogs.com/hyq20135317/p/4868782.html)