信息安全系统设计基础第五周学习总结

【学习时间：10小时】

【学习内容：第三章：程序的机器表示】

一、教材内容

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

2.机器编程的两种抽象：

1）指令集体系结构（Instruction set architecture,ISA）——定义指令格式以及每条指令执行之后对状态的影响。大多数ISA将程序行为描述成按顺序执行的；

2）虚拟地址

3.一些处理器状态

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；等

4.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。

5.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

6.64位机器上想要得到32代码：gcc -m32 -S xxx.c

7.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

8.二进制文件可以用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

9.Linux和的汇编格式为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。

10.intel用术语“字”来表示16位数据类型。int和long int都是4字节即双字长度；char是单字节；指针存储为4字节的双字。另外，在汇编代码中，b表示字节；w表示字，l表示双字

11.一个IA32中央处理单元（CPU）包含一组8个存储32位值的寄存器。其中，esi edi可以用来操纵数组，esp ebp用来操纵栈帧。另外四个寄存器为通用（在32位和16位机器上都可以用）寄存器。然而，当单独使用其低四位的时候，一旦结果多于8位，仍然会发生溢出。

12.理解操作数的三种类型：立即数（不超过32位的数值）、寄存器（用Ea表示任意寄存器a,R[Ea]表示它的值）、存储器（会根据计算出来的地址访问某个内存，用M[addr]表示）

13.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：

1）Ea——操作数值：R[Ea]

2）（Ea）——操作数值：M（R[Ea]）

3）Imm(Ea)——操作数值：M(Imm+R[Ea])

14.mov语句表示将值从源操作数“移给”目的操作数（前者在前，后者在后），相当于赋值。在IA32中规定不能从内存地址直接MOV到另一个内存地址，要用寄存器进行中转。其中，MOVS是符号扩展；MOVZ是零扩展。

15.push,pop语句：及向程序栈中压入或者弹出数据。栈遵循“后进先出”的原则，且栈顶向下增长；在栈指针%esp中保存着栈顶元素的指针。

16.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

17.除了leal外，其他逻辑操作都会设置条件码。另外，有些操作只设置条件码而不将结果送至操作数——CMP：比较指令，与SUB类似；TEST指令，与AND类似（当两数相等的时候，会将条件码都设置成0）

思考一下：CMP和SUB用在什么地方？

【一般来说，CMP应该是用在对操作数进行测试的时候，比如，可以测试某个数与已知数的大小关系等；而SUB执行的是减法操作，用于普通运算中】

18.SET类指令根据t=a-b的结果所设置的条件码来将一个字节（目的操作数）设置为0或者1

19.跳转指令：

1）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】 2）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

20.do-while语句等价的goto语句——

loop:
  body-statement
  t = test-sxpr;
  if(t)
      goto loop;

21.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:

22.for循环的流程：程序首先对初试表达式init-expr求值，然后进入循环；在循环中它先对测试条件test-expr求值，如果为假则退出循环否则执行循环体；最后对更新表达式求值。

23.switch语句根据一个整数索引值进行多重分支；通过使用跳转表使其更加高效。跳转表是一个数组，表项i是一个代码段地址（C语言用&表示一个指向数据值的指针；而&&表示一个指向代码位置的指针）

24.IA32利用程序栈来支持过程调用（包括将数据和控制）。为单个过程分配的那部分栈做栈帧。最底端（地址最大）%ebp为帧指针；最顶端（地址最小）%esp为栈指针。当程序执行时，栈指针可以移动。

25.转移控制——

1）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。

2）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）】

26.编译器根据一组很简单的惯例产生管理栈结构的代码。参数在栈上传递给函数，可以从栈中相对于%ebp的正偏移量来访问它们。可以用push指令或者是从栈指针中减去偏移量来分配在栈上的空间。

二、练习题筛选

1.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

2.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)
movl %ebx,(%ecx)
movl %esi,(%edi)

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.根据汇编代码，补充C语言代码(x,y,z分别存储在相对于寄存器%edp中地址值偏移8、12、16的地方)

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;
}

4.考虑以下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

[既然是l，表明是32位，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. testb %al,%al setg %al

[既然是b，表明是16位，且比较是 == ；则data_t应该是short或者unsigned short]

5.在下面这些反汇编二进制代码节选中，有些代码被x代替了。请补充。

A.

804828f:74 05   je   XXXXXXX
8048291:E8 10 00 00 00   CALL 80482B4

XXXXXXXX:0x8048291+0x05 = 0x8048296[利用P129所讲，程序计数器的值是跳转指令之后的那条指令的地址；而更新计数器又是执行一条指令的第一步，所以要加上原来的地址] B.

8048357:72 e7   jB   XXXXXXX
8048359:c6 05 10 a0 04 08 01   movb   $0x1,0x804a010

XXXXXXX：0xe7(补码)+0x8048359 = 0x8048359-25 = 8048340

6.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;
}

为什么C语言只有一个条件语句；而汇编中有两个分支呢？ 【第一个条件分支是&&表达式实现的一部分；如果对p非空的测试失败，代码会跳过对a的测试】

7.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

则对应的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】

8.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

补充以下C语言源代码

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;
}

作用？ 【把x的位（十六进制）翻转过来填入val】

9.根据P148图3-20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;
}

10.

call next
next:
popl %eax

A.寄存器%eax被设置成了什么值？ 【popl】 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】 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】

三、疑问

1.既然leal是mov的变形，那么所有可以用leal的场合都可以用mov吗？

2.（已经在后续学习中解决，可以下方3.做参考，跳转到目标值之后可能接着执行某段代码）P127中，

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】 那么，如果程序中有这种语句，跳到目标值之后会怎么样呢？

3.P146中，图3-19的代码块第6行有：

jmp *.L7(,%eax,4)

然而，该段代码中并没有标识.L7的位置。那么jmp指令如何寻址？

4.P148练习题3.29

根据图3-20的汇编代码，填写补充C源代码.答案如下：

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;
}

其中，关于

case 4 :
    answer = a;
    break;

答案中解释为：

GCC对程序进行了优化，将answer = 4优化为answer = a。

为什么？

5.

call next
next:
popl %eax

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】

这句解释是什么意思呢？

四、学习心得

在这周的自学中，主要是学习了机器内执行程序的时候所发生的动态变化。要究动态，就必须了解静态的内部“参量”；有前面打下的基础，才有后面学得懂、学得透的可能性。在大的方面上，更是因为有上学期汇编语言的基础，才能保证流畅阅读基础的汇编代码，而不用时时刻刻“查字典”。在学习上，也有类似于文学作品中那样所谓的“伏笔”——自己奠定了什么样的基础，决定了有什么样的起承转合。