iOS逆向学习-003状态寄存器

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概念

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!

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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Z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。

对于进位与借位的理解:两个无符号数,当做加法运算的时候,C默认是0,当计算发生溢出的时候,C变成1;当做减法运算的时候,C默认是1,当计算值应该变成负数的时候,C变成0

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:

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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想更高位的进位。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

关于C、V位的有无符号计算的理解

我们平时写代码的运算,有无符号都是通过声明来区别的,但是在汇编中,所有的数据都是用进制数来表示的,没有声明的办法,所以对于汇编来说,不存在一个数是否有符号。那怎么办呢?没办法,只能做2次判断,先当作有符号的运算做一次处理,然后把标记位赋给V,再当作无符号运算做一次处理,然后把标记位赋给C。

状态寄存器Demo演示

我们写如下汇编:

void func(){
    asm(
        "mov w0, #-0x2\n"
        "adds w0, w0, #0x1\n"
        "adds w0, w0, #0x1\n"
        "subs w0, w0, #0x1\n"
        );
}

func();

这里总共有3步运算,add后面加s的话,计算的同时会改变状态寄存器CPSR的状态值,subs同理。我们看下3步运算时,寄存器中的值:

image.png

  • w0中原本存的-2,第一次运算加1
  • w0中变成了-1,也就是0xffffffff0xfffffffe+0x1不管是当作有符号运算还是无符号运算,都是没有溢出的,所以CV标记位都是00xffffffff首位bit位是1,所以是负数,N标记位为1,结果不为0,那么Z标记位为0。所以NZCV依次排列就是1000,换算成十六进制就是8
  • 下面运算同上述方法,自己测下是否理解正确