iOS--初识汇编

Mr_zheng
227 阅读15分钟

最近学习一下汇编，记录一下

一、汇编语言的发展

1、机器语言

由0和1组成的机器指令。

  • 加：0100 0000
  • 减：0100 1000
  • 乘：1111 1111 1110 0000
  • 除：1111 1111 1111 0000

2、汇编语言

使用助记符代替机器语言

  • 加：INC EAX 通过编译器0100 0000
  • 减：DEC EAX 通过编译器0100 1000
  • 乘：MUL EAX 通过编译器1111 0111 1110 0000
  • 除：DIV EAX 通过编译器1111 0111 1111 0000

3、汇编语言(assembly language)

使用助记符代替机器语言 如:

  • 加：INC EAX 通过编译器 0100 0000
  • 减：DEC EAX 通过编译器 0100 1000
  • 乘：MUL EAX 通过编译器 1111 0111 1110 0000
  • 除：DIV EAX 通过编译器 1111 0111 1111 0000

4、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:

  • 加：A+B 通过编译器 0100 0000
  • 减：A-B 通过编译器 0100 1000
  • 乘：A*B 通过编译器 1111 0111 1110 0000
  • 除：A/B 通过编译器 1111 0111 1111 0000

我们的代码在终端设备上是这样的过程:

  • 汇编语言与机器语言一一对应，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

二、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

三、 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
  • 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
    • ......

四、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
armv6iPhone, iPhone2, iPhone3G, 第一代、第二代 iPod Touch
armv7iPhone3GS, iPhone4, iPhone4S,iPad, iPad2, iPad3(The New iPad), iPad mini, iPod Touch 3G, iPod Touch4
armv7siPhone5, iPhone5C, iPad4(iPad with Retina Display)
arm64iPhone5S 以后 iPhoneX , iPad Air, iPad mini2以后

五、几个必要的常识

  • 了解CPU等硬件结构
  • APP/程序的执行过程

  • 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

  • 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：一根根导线的集合
  • 总线的分类
    • 地址总线
    • 数据总线
    • 控制总线

举个例子

来至书上的截图

  • 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
  • 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

例如

  • 一个CPU 的寻址能力为8KB,那么它的地址总线的宽度为 13 (2^N = 8*1024)
  • 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 2^6 KB, 1 MB,2^4 MB,2^2 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: 1 B, 1 B, 2 B, 2 B,4 B
  • 从内存中读取1024字节的数据,8086至少要读 512次,80386至少要读取256次.

内存

各类存储区的逻辑连接

各类存储器的逻辑连接-物理地址对应图

各类存储器的物理地址情况

  • 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

六、进制

学习进制的障碍

我们习惯行的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。为什么一定要转换十进制呢？仅仅是因为对十进制最熟悉，所以才转换？每一种进制都是完美的,所以我们要忘掉十进制，也就是要忘掉进制间的转换！

###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

#####思考个问题

  • 1 + 1 在____情况下等于 3 ?

十进制由10个符号组成: 0 1 3 2 8 A B E S 7 逢十进一

如果这样定义十进制: 1 + 1 = 3!就对了!

这样的目的何在? 传统我们定义的十进制和自定义的十进制不一样.那么这10个符号如果我们不告诉别人这个符号表,别人是没办法拿到我们的具体数据的!用于加密!

十进制由十个符号组成,逢十进一,符号是可以自定义的!!

###二进制的简写形式

       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

七、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!

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

八、寄存器

内部部件之间由总线连接

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,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!
  • 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

  • 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)

  • 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

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: 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

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

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

SP和FP寄存器

  • sp寄存器在任意时刻会保存我们栈顶的地址.
  • fp寄存器也称为x29寄存器属于通用寄存器,但是在某些时刻我们利用它保存栈底的地址!()

栈是一种具有特殊的访问方式的存储空间（后进先出， Last In Out Firt，LIFO）

注意:ARM64开始,取消32位的 LDM,STM,PUSH,POP指令! 取而代之的是ldr\ldp str\stp

ARM64里面 对栈的操作是16字节对齐的!!

str(store register)指令

将数据从寄存器中读出来,存到内存中.

ldr(load register)指令

将数据从内存中读出来,存到寄存器中

此ldr 和 str 的变种ldp 和 stp 还可以操作2个寄存器.

状态寄存器

   CPU内部的寄存器中,有一种特殊的寄存器(对于不同的处理器,个数和结构都可能不同).这种寄存器在ARM中,被称为状态寄存器就是CPSR(current program status register)寄存器 CPSR和其他寄存器不一样,其他寄存器是用来存放数据的,都是整个寄存器具有一个含义.而CPSR寄存器是按位起作用的,也就是说,它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息.

注:CPSR寄存器是32位的

CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，程序无法修改,除非CPU运行于特权模式下,程序才能修改控制位!

N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行!意义重大!

  • N（Negative）标志

CPSR的第31位是 N，符号标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为负.如果为负 N = 1,如果是非负数 N = 0.

   注意,在ARM64的指令集中,有的指令的执行时影响状态寄存器的,比如add\sub\or等,他们大都是运算指令(进行逻辑或算数运算)；

  • Z(Zero)标志

CPSR的第30位是Z，0标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为0.如果结果为0.那么Z = 1.如果结果不为0,那么Z = 0.

   对于Z的值,我们可以这样来看,Z标记相关指令的计算结果是否为0,如果为0,则N要记录下"是0"这样的肯定信息.在计算机中1表示逻辑真,表示肯定.所以当结果为0的时候Z = 1,表示"结果是0".如果结果不为0,则Z要记录下"不是0"这样的否定信息.在计算机中0表示逻辑假,表示否定,所以当结果不为0的时候Z = 0,表示"结果不为0"。

  • C(Carry)标志

CPSR的第29位是C，进位标志位。一般情况下,进行无符号数的运算。 加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。 减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1。

   对于位数为N的无符号数来说，其对应的二进制信息的最高位，即第N - 1位，就是它的最高有效位，而假想存在的第N位，就是相对于最高有效位的更高位。如下图所示：

进位

   我们知道，当两个数据相加的时候，有可能产生从最高有效位向更高位的进位。比如两个32位数据：0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa,将产生进位。由于这个进位值在32位中无法保存，我们就只是简单的说这个进位值丢失了。其实CPU在运算的时候，并不丢弃这个进位制，而是记录在一个特殊的寄存器的某一位上。ARM下就用C位来记录这个进位值。比如，下面的指令

mov w0,#0xaaaaaaaa；0xa 的二进制是 1010
adds w0,w0,w0； 执行后 相当于 1010 << 1 进位1（无符号溢出） 所以C标记 为 1
adds w0,w0,w0； 执行后 相当于 0101 << 1 进位0（无符号没溢出） 所以C标记 为 0
adds w0,w0,w0； 重复上面操作
adds w0,w0,w0

借位

   当两个数据做减法的时候，有可能向更高位借位。再比如，两个32位数据：0x00000000 - 0x000000ff,将产生借位，借位后，相当于计算0x100000000 - 0x000000ff。得到0xffffff01 这个值。由于借了一位，所以C位 用来标记借位。C = 0.比如下面指令：

mov w0,#0x0
subs w0,w0,#0xff ;
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff
  • V(Overflow)溢出标志

CPSR的第28位是V，溢出标志位。在进行有符号数运算的时候，如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。

  • 正数 + 正数 为负数 溢出
  • 负数 + 负数 为正数 溢出
  • 正数 + 负数 不可能溢出

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.

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