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[资料] 【转】汇编语言入门教程
2019-1-16 11:06:30  2279 汇编
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本帖最后由 weidongshan 于 2019-1-16 11:09 编辑

作者:阮一峰


学习编程其实就是学高级语言,即那些为人类设计的计算机语言。
但是,计算机不理解高级语言,必须通过编译器转成二进制代码,才能运行。学会高级语言,并不等于理解计算机实际的运行步骤。
微信图片_20190114175501.jpg
计算机真正能够理解的是低级语言,它专门用来控制硬件。汇编语言就是低级语言,直接描述/控制 CPU 的运行。如果你想了解 CPU 到底干了些什么,以及代码的运行步骤,就一定要学习汇编语言。


汇编语言不容易学习,就连简明扼要的介绍都很难找到。下面我尝试写一篇最好懂的汇编语言教程,解释 CPU 如何执行代码。
微信图片_20190114175531.jpg


汇编语言是什么
我们知道,CPU 只负责计算,本身不具备智能。你输入一条指令(instruction),它就运行一次,然后停下来,等待下一条指令。
这些指令都是二进制的,称为操作码(opcode),比如加法指令就是00000011。编译器的作用,就是将高级语言写好的程序,翻译成一条条操作码。
对于人类来说,二进制程序太难阅读了,通过代码根本看不出来机器干了什么。为了解决可读性的问题,以及偶尔的编辑需求,就诞生了汇编语言。
微信图片_20190114175546.jpg


汇编语言是二进制指令的文本形式,与二进制指令是一一对应的关系。比如,加法指令00000011写成汇编语言就是 ADD。只要还原成二进制,汇编语言就可以被 CPU 直接执行,所以它是最底层的低级语言。


来历最早的时候,编写程序就是手写二进制指令,然后通过各种开关输入计算机,比如要做加法了,就按一下加法开关。后来,发明了纸带打孔机,通过在纸带上打孔,将二进制指令自动输入计算机。



为了解决二进制指令的可读性问题,工程师将那些指令写成了八进制。二进制转八进制是轻而易举的,但是八进制的可读性也不行。很自然地,最后还是用文字表达,加法指令写成 ADD。内存地址也不再直接引用,而是用标签表示。


这样的话,就多出一个步骤,要把这些文字指令翻译成二进制,这个步骤就称为 assembling,完成这个步骤的程序就叫做 assembler。它处理的文本,自然就叫做 aseembly code。标准化以后,称为 assembly language,缩写为 asm,中文译为汇编语言。


微信图片_20190114175603.jpg


每一种 CPU 的机器指令都是不一样的,因此对应的汇编语言也不一样。本文介绍的是目前最常见的 x86 汇编语言,即 Intel 公司的 CPU 使用的那一种。


寄存器学习汇编语言,首先必须了解两个知识点:寄存器和内存模型。



先来看寄存器。CPU 本身只负责运算,不负责储存数据。数据一般都储存在内存之中,CPU 要用的时候就去内存读写数据。但是,CPU 的运算速度远高于内存的读写速度,为了避免被拖慢,CPU 都自带一级缓存和二级缓存。基本上,CPU 缓存可以看作是读写速度较快的内存。


但是,CPU 缓存还是不够快,另外数据在缓存里面的地址是不固定的,CPU 每次读写都要寻址也会拖慢速度。因此,除了缓存之外,CPU 还自带了寄存器(register),用来储存最常用的数据。也就是说,那些最频繁读写的数据(比如循环变量),都会放在寄存器里面,CPU 优先读写寄存器,再由寄存器跟内存交换数据。
微信图片_20190114175609.jpg
寄存器不依靠地址区分数据,而依靠名称。每一个寄存器都有自己的名称,我们告诉 CPU 去具体的哪一个寄存器拿数据,这样的速度是最快的。有人比喻寄存器是 CPU 的零级缓存。


寄存器种类
早期的 x86 CPU 只有8个寄存器,而且每个都有不同的用途。现在的寄存器已经有100多个了,都变成通用寄存器,不特别指定用途了,但是早期寄存器的名字都被保存了下来。
EAX
EBX
ECX
EDX
EDI
ESI
EBP
ESP
上面这8个寄存器之中,前面七个都是通用的。ESP 寄存器有特定用途,保存当前 Stack 的地址。


微信图片_20190114175636.jpg

我们常常看到 32位 CPU、64位 CPU 这样的名称,其实指的就是寄存器的大小。32 位 CPU 的寄存器大小就是4个字节。


内存模型:Heap
寄存器只能存放很少量的数据,大多数时候,CPU 要指挥寄存器,直接跟内存交换数据。所以,除了寄存器,还必须了解内存怎么储存数据。
程序运行的时候,操作系统会给它分配一段内存,用来储存程序和运行产生的数据。这段内存有起始地址和结束地址,比如从0x1000到0x8000,起始地址是较小的那个地址,结束地址是较大的那个地址。


QQ图片20190114184521.png
程序运行过程中,对于动态的内存占用请求(比如新建对象,或者使用malloc命令),系统就会从预先分配好的那段内存之中,划出一部分给用户,具体规则是从起始地址开始划分(实际上,起始地址会有一段静态数据,这里忽略)。举例来说,用户要求得到10个字节内存,那么从起始地址0x1000开始给他分配,一直分配到地址0x100A,如果再要求得到22个字节,那么就分配到0x1020。


QQ图片20190114184547.png


这种因为用户主动请求而划分出来的内存区域,叫做 Heap(堆)。它由起始地址开始,从低位(地址)向高位(地址)增长。Heap 的一个重要特点就是不会自动消失,必须手动释放,或者由垃圾回收机制来回收。

内存模型:stack
除了 Heap 以外,其他的内存占用叫做 Stack(栈)。简单说,Stack 是由于函数运行而临时占用的内存区域。 QQ图片20190114184607.png
请看下面的例子。
int main() {
   int a = 2;
   int b = 3;
}
上面代码中,系统开始执行main函数时,会为它在内存里面建立一个帧(frame),所有main的内部变量(比如a和b)都保存在这个帧里面。main函数执行结束后,该帧就会被回收,释放所有的内部变量,不再占用空间。

QQ图片20190114184628.png

如果函数内部调用了其他函数,会发生什么情况?
int main() {
   int a = 2;
   int b = 3;
   return add_a_and_b(a, b);
}
上面代码中,main函数内部调用了add_a_and_b函数。执行到这一行的时候,系统也会为add_a_and_b新建一个帧,用来储存它的内部变量。也就是说,此时同时存在两个帧:main和add_a_and_b。一般来说,调用栈有多少层,就有多少帧。

QQ图片20190114184646.png
等到add_a_and_b运行结束,它的帧就会被回收,系统会回到函数main刚才中断执行的地方,继续往下执行。通过这种机制,就实现了函数的层层调用,并且每一层都能使用自己的本地变量。

所有的帧都存放在 Stack,由于帧是一层层叠加的,所以 Stack 叫做栈。生成新的帧,叫做"入栈",英文是 push;栈的回收叫做"出栈",英文是 pop。Stack 的特点就是,最晚入栈的帧最早出栈(因为最内层的函数调用,最先结束运行),这就叫做"后进先出"的数据结构。每一次函数执行结束,就自动释放一个帧,所有函数执行结束,整个 Stack 就都释放了。

微信图片_20190114175739.jpg

微信图片_20190114175746.jpg
Stack 是由内存区域的结束地址开始,从高位(地址)向低位(地址)分配。比如,内存区域的结束地址是0x8000,第一帧假定是16字节,那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始;第二帧假定需要64字节,那么地址就会移动到0x7FB0。

QQ图片20190114184710.png

CPU指令一个实例
了解寄存器和内存模型以后,就可以来看汇编语言到底是什么了。下面是一个简单的程序example.c。

int add_a_and_b(int a, int b) {
   return a + b;
}
int main() {
   return add_a_and_b(2, 3);
}
gcc 将这个程序转成汇编语言。
$ gcc -S example.c
<nbsp;gcc -s example.c
</nbsp;gcc -s example.c
上面的命令执行以后,会生成一个文本文件example.s,里面就是汇编语言,包含了几十行指令。这么说吧,一个高级语言的简单操作,底层可能由几个,甚至几十个 CPU 指令构成。CPU 依次执行这些指令,完成这一步操作。
example.s经过简化以后,大概是下面的样子。
_add_a_and_b:
   push   %ebx
   mov    %eax, [%esp+8]
   mov    %ebx, [%esp+12]
   add    %eax, %ebx
   pop    %ebx
   ret  

_main:
   push   3
   push   2
   call   _add_a_and_b
   add    %esp, 8
   ret
可以看到,原程序的两个函数add_a_and_b和main,对应两个标签_add_a_and_b和_main。每个标签里面是该函数所转成的 CPU 运行流程。
每一行就是 CPU 执行的一次操作。它又分成两部分,就以其中一行为例。
push   %ebx
这一行里面,push是 CPU 指令,%ebx是该指令要用到的运算子。一个 CPU 指令可以有零个到多个运算子。

下面我就一行一行讲解这个汇编程序,建议读者最好把这个程序,在另一个窗口拷贝一份,省得阅读的时候再把页面滚动上来。

push]call 指令
第三行的call指令用来调用函数。
call   _add_a_and_b
上面的代码表示调用add_a_and_b函数。这时,程序就会去找_add_a_and_b标签,并为该函数建立一个新的帧。
下面就开始执行_add_a_and_b的代码。
push   %ebx
这一行表示将 EBX 寄存器里面的值,写入_add_a_and_b这个帧。这是因为后面要用到这个寄存器,就先把里面的值取出来,用完后再写回去。
这时,push指令会再将 ESP 寄存器里面的地址减去4个字节(累计减去12)。
微信图片_20190114175821.jpg
mov]add 指令
add指令用于将两个运算子相加,并将结果写入第一个运算子。
add    %eax, %ebx
上面的代码将 EAX 寄存器的值(即2)加上 EBX 寄存器的值(即3),得到结果5,再将这个结果写入第一个运算子 EAX 寄存器。

pop 指令
pop指令用于取出 Stack 最近一个写入的值(即最低位地址的值),并将这个值写入运算子指定的位置。
pop    %ebx
上面的代码表示,取出 Stack 最近写入的值(即 EBX 寄存器的原始值),再将这个值写回 EBX 寄存器(因为加法已经做完了,EBX 寄存器用不到了)。
注意,pop指令还会将 ESP 寄存器里面的地址加4,即回收4个字节。

ret 指令
ret指令用于终止当前函数的执行,将运行权交还给上层函数。也就是,当前函数的帧将被回收。
ret
可以看到,该指令没有运算子。
随着add_a_and_b函数终止执行,系统就回到刚才main函数中断的地方,继续往下执行。
add    %esp, 8
上面的代码表示,将 ESP 寄存器里面的地址,手动加上8个字节,再写回 ESP 寄存器。这是因为 ESP 寄存器的是 Stack 的写入开始地址,前面的pop操作已经回收了4个字节,这里再回收8个字节,等于全部回收。
ret
最后,main函数运行结束,ret指令退出程序执行。


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向韦大师学习
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谢谢分享这是好资料但不好学,
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非常好的基础知识,谢谢分享。
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哪个吊大的来告诉我,这玩意儿搜索功能在哪。
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多谢分享,整成文档最好,或者调整下字体,呵呵
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非常好的基础知识,谢谢分享。
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很好的资料,学到了计算机底层 的知识。
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很好的资料,学到了计算机底层的知识。但是还是有点不明白。
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我想知道电路是怎么做的
· 2019-3-25 21:17:14
讲得不错,受教了。

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