20145236《信息安全系统设计基础》第5周学习总结

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第三章 程序的机器级表示

3.1 X86 寻址方式的变化：

  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

gcc -01 -o p p1.c

  • -01 表示使用第一级优化。优化的级别与编译时间和最终产生代码的形式都有关系，一般认为第二级优化-02 是较好的选择。

  • -o 表示将p1.c编译后的可执行文件命名为p

  • 计算机系统使用了多种不同形式的抽象，对于机器级编程来说，两种抽象尤为重要。第一种是机器级程序的格式和行为，定义为指令集体系结构（ISA),他定义了处理器状态、指令的格式，以及每条指令对状态的影响。

    • 程序计数器(CS:IP)

    • 整数寄存器（AX,BX,CX,DX）

    • 条件码寄存器（OF,SF,ZF,AF,PF,CF）

    • 浮点寄存器

3.2.1 一些处理器状态

  1. PC，即程序计数器，用来指示将要执行的下一条指令在存储器中的地址；

  2. 整数寄存器，存储数据；条件码寄存器，保存逻辑指令状态信息。

  3. gcc -S xxx.c 可以得到C语言编译器产生的汇编代码，但不会做其他工作；使用“-c”命令，GCC就会编译并汇编该代码，得到二进制文件XXX.o。由此可见，机器执行的实际上是对一系列指令进行编码的字节序列。

3.2.2 函数中通用的汇编语句：

  • pushl %ebp //将该寄存器内容全部压入程序栈

  • movl %esp,%ebp

  • addl %eax,accum

  • popl %ebp

  • 64位机器上想要得到32代码：gcc -m32 -S xxx.c

3.3 数据格式

  1. 数据传送指令的三个变种：

  • movb 传送字节

  • movw 传送字

  • movl 传送双字

  1. 反汇编器：
    根据目标代码产生一种类似于汇编代码的格式。在linux中，objdump -d xxx.o 可以实现

  2. 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. Linux的汇编格式为ATT格式，而Windows的为Intel格式。二者在语法上有区别——后者省略了指示大小的后缀、寄存器前的%等。

  4. 寻址方式的通用公式：
    有效地址可以表示为Imm+R[Eb]+R[Ei]*s。Imm为立即数偏移；Eb为基址寄存器；Ei为变址寄存器；s为比例因子。如：

    • Ea——操作数值：R[Ea]

    • （Ea）——操作数值：M（R[Ea]）

    • Imm(Ea)——操作数值：M(Imm+R[Ea])

3.5 逻辑操作表示：

  • leal——加载有效地址；将数据从存储器读到寄存器

  • NEG——取负

  • SUB S,D——将D-S的结果送至D

  • 移位操作 SAL,SHL,SAR,SHR的移位量可以是立即数或%cl中的数

跳转指令：

  • 无条件跳转——jmp.<标号> 跳转到标号所指示的语句处；jmp *<操作数指示符> 【注意：如果形如%eax，即以%eax中的值作为跳转目标；而形如（%eax）则是以其中的值作为地址，读出跳转目标】

  • 有条件跳转——类似于SET类指令，是根据条件码或者其组合来跳转

3.6 循环

  • do-while语句等价的goto语句——
loop:
  body-statement
  t = test-sxpr;
  if(t)
      goto loop;
  • while语句等价的goto语句——
t = test-sxpr;
if(!t)
    goto done;  
loop:
  body-statement
  t = test-sxpr;
  if(t)
      goto loop;
done:

3.7 过程

转移控制——

  • call指令：后接被调用过程的起始的指令地址。效果是将返回地址入栈，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。

【二者配合，实现函数调用时的衔接：即，call类似于先行的探险者，将迷宫入口处的地址存到某个安全的地方，然后探索迷宫（函数）；ret类似于保障人员，在探险完成之后将该地址取出来，带领程序回到最初的入口处，接着走大路（主程序）】

教材习题解答

3.3

  • 找出下列代码的错误之处？

movb $0xf,(%bl) ---目的操作数只能是一个寄存器或者一个存储器地址。（%bl）表示一个值

movw (%eax),4(%esp)---目的操作数与源操作数不能都是存储器

movb %si, 8(%ebp)---指令后缀与寄存器地址不匹配

3.5

  • xp,yp,zp分别存储在相对于寄存器%edp中地址值偏移8、12、16的地方。试写出与以下代码等价的C语言代码

movl 8(%ebp),%edi
movl 12(%ebp),%edx
movl 16(%ebp),%ecx
movl (%edx),%ebx
movl (%ecx),%esi
movl (%edi),%eax
movl %eax,(%edx)//将x存储到yp
movl %ebx,(%ecx)//将y存储到zp
movl %esi,(%edi)//将z存储到xp

  • 代码如下：
void decode1(int *xp,int *yp,int *zp)
{
    int x=*xp;
    int y =*yp;
    int z = *zp;
    *yp = x;
    *zp = y;
    *xp = z;
}

3.6

  • 假设寄存器%eax的值为x，%ecx的值为y。填写下表，指明下面每条汇编代码指令存储在寄存器%edx中的值。

leal 6(%eax),%edx——6+x

leal (%eax,%ecx),%edx——x+y

leal (%eax,%ecx,4),%edx——x+4y

leal 7(%eax,%eax,8),%edx——7+9x

leal 0xA(,%ecx,4),%edx——10+4y

leal 9(%eax,%ecx,2),%edx——9+x+2y

3.9

  • 基于给出的汇编代码，补充C语言中缺失的代码：

movl 12(%ebp),%eax
xorl 8(%ebp),%eax
sarl $3,%eax
notl %eax
subl 16(%ebp),%eax

  • C语言代码：
int arith(int x,int y,int z)
{
    int t1 = x^y;
    int t2 = 3*t1;
    int t3 = ~t2;
    int t4 = t3-z;
    return t4;
}

3.14

  • 根据以下C语言代码：
int test(data_t a)
{
    return a TEST 0;
}

根据以下每条指令序列，确定哪种数据类型和比较TEST会使编译器产生这样的代码？

A. testl %eax,%eax setne %al

后缀是‘l’，表明是32位操作数，且data_t可以是int,unsigned和指针；而ne表示比较类型是 !=，对有无符号的数字都成立;对于unsigned，比较还可以是>

B. testw %ax,%ax sete %al

后缀是‘w’，表明是16位操作数，且比较是 ==，则data_t一定是short或者unsigned short
C. testb %al,%al setg %al

后缀是‘b’，表明是8位操作数，且比较是对补码的‘>’ ,则data_t一定是char

D. testw %ax,%ax seta %al

后缀‘w’和寄存器指示符表明是16位操作数，且比较是对无符号的‘>’，则data_t一定是unsigned short。对于short或者unsigned short类型，比较也可以是！=。

3.16

  • 已知下列C语言代码：
void cond(int a,int *p)
{
    if(p&&a>0)
        *p +=a;
}

按照与汇编代码等价的C语言goto版本，写一个与之等价的C语言代码。 答：

void goto_cond(int a,int *p)
{
    if(p == 0)
        goto done;
    if(a<=0)
        goto done;
    *p +=a;
    done:
        return;
}
  • 请说明为什么C语言代码中只有一个if语句，而汇编代码包含两个条件分支？
    答：第一个条件分支是&&表达式实现的一部分。如果对p为非空的测试失败，代码会跳过对a>0的测试。

3.22

  • 根据汇编代码，补充对应的C语言代码空缺部分

movl 8(%edp),%edx //x at %edp+8
movl $0,%eax
testl %edx,%edx
je .L7
.L10:
xorl %edx,%eax
shrl %edx //shift right by 1
jne .L10
.L7:
andl $1,%eax

对应的C语言代码是：

int fun_a(unsigned x)
{
    int val = 0;
    while(x!=0)
    {
        val = val ^ x;
        x>> = 1;
    }
    return val & 0x1;
}
  • 这段代码的功能？ 【如果x有奇数个1，就返回1；如果有偶数个1，就返回0】

3.23

  • 函数fun_b经GCC编译之后产生如下汇编代码：

movl 8(%ebp),%ebx //x at %ebp+8
movl $0,%eax
movl $0,%ecx
.L13:
leal (%eax,%eax),%edx
movl %ebx,%eax
andl $1,%eax
orl %edx,%eax
shrl %edx
addl $1,%ecx
cmpl $32,%ecx
jne .L13

对应的C语言代码：

int fun_b(unsigned x)
{
    int val = 0;
    int i;
    for(i =0;i<32;i++)
    {
        val = (val<<1) | (x & 0x1);
        x>> =1;
    }
return val;
}
  • 这段代码的功能？ 【把x的位（十六进制）翻转过来填入val】

3.29

  • 根据给出的的汇编代码，填写补充C源代码
int switcher(int a,int b,int c)
{
    int answer;
    switch(a)
    {
        case 5 :
            c = b ^ 15;
        case 0 :
            answer = c+112;
        case 2 :
        case 7 :
            answer = c+6;
            break;
        case 4 :
            answer = a;
            break;
        default :
            answer = b;
    }
    return answer;
}

3.30

  • 下面的代码片段常常出现在库函数的编译版本中：

call next
next:
popl %eax

A.寄存器%eax被设置成了什么值？
%eax被设置成popl的地址。

B.解释为什么这个调用没有与之匹配的ret指令
这不是一个真正的过程调用，因为根本是按照与指令相同的顺序进行的，而返回值是从栈中弹出的。

C.这段代码完成了什么功能？
这是IA32中将程序计数器中的值放到整数计数器中的唯一办法。

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