初识汇编

WeaponChen
210 阅读12分钟

001--初识汇编

我们知道，iOS逆向开发非常重要的一个环节就是分析静态文件，逆向iPhone上面的App；而iOS开发打包安装到手机上的App的可执行文件本质上是二进制文件，而且iPhone本质上执行的指令是二进制，由手机上CPU执行，所以静态分析是建立在分析二进制文件，那么我们就有必要探索一下汇编了。

汇编语言

机器语言：0和1组成的机器指令。

例如最开始的加减乘除，机器语言就是用以下方式来表示的：

  • 加：0100 0000
  • 减：0100 1000
  • 乘：1111 0111 1110 0000
  • 除：1111 0111 1111 0000

由着这些机器语言指令越来越多，所以前辈们就使用助记符来帮忙代替机器语言，由此汇编语言就诞生了。

汇编语言(assembly language)

例如前面的加减乘除 使用汇编语言的话就可以表示为

  • 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

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:

15193669666308.jpg

  1. 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
  2. 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
  3. 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

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

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
    • 病毒分析与防治
    • 逆向\加壳\脱壳\破解\外挂\免杀\加密解密\漏洞\黑客
  • 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
    • ......

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**

  • armv6 iPhone, iPhone2, iPhone3G, 第一代、第二代 iPod Touch

  • armv7 iPhone3GS, iPhone4, iPhone4S,iPad, iPad2, iPad3(The New iPad), iPad mini, iPod Touch 3G, iPod Touch4

  • armv7s iPhone5, iPhone5C, iPad4(iPad with Retina Display)

  • arm64 iPhone5S 以后 iPhoneX , iPad Air, iPad mini2以后 几个必要的常识

  • 要想学好汇编,首先需要了解CPU等硬件结构

  • APP/程序的执行过程

image.png

  • 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

image.png

image.png

  • 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

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举个例子

image.png

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（ 220 ）

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  • 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(B)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 小练习
  • 一个CPU 的寻址能力为8KB,那么它的地址总线的宽度为13
  • 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64KB, 1MB, 16MB, 4GB
  • 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:1B, 1B, 2B, 2B, 4B,
  • 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 image.png 各类存储器的逻辑连接-物理地址对应图 image.png 各类存储器的物理地址情况

image.png

  • 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220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

进制

进制的定义

  • 八进制由8个符号(不一定是0-8)组成:0 1 2 3 4 5 6 7 逢八进一
  • 十进制由10个符号(不一定是0-9)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

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

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!

image.png

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

CPU&寄存器

内部部件之间由总线连接

image.png

CPU除了有控制器、运算器还有寄存器。其中寄存器的作用就是进行数据的临时存储。

  • 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。

对于arm64系的CPU来说， 如果寄存器以x开头则表明的是一个64位的寄存器，如果以w开头则表明是一个32位的寄存器，在系统中没有提供16位和8位的寄存器供访问和使用。其中32位的寄存器是64位寄存器的低32位部分并不是独立存在的。

  • 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

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

通用寄存器

  • 通用寄存器也称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拥有有32个64位的通用寄存器 x0 到 x30，以及XZR(零寄存器),这些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!

image.png

  • 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

image.png

  • 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

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.

bl指令

  • CPU从何处执行指令是由pc中的内容决定的，我们可以通过改变pc的内容来控制CPU执行目标指令
  • ARM64提供了一个mov指令（传送指令），可以用来修改大部分寄存器的值，比如
  • mov x0,#10、mov x1,#20
  • 但是，mov指令不能用于设置pc的值，ARM64没有提供这样的功能
  • ARM64提供了另外的指令来修改PC的值，这些指令统称为转移指令，最简单的是bl指令

bl指令 -- 练习 现在有两段代码!假设程序先执行A,请写出指令执行顺序.最终寄存器x0的值是多少?

_A:
    mov x0,#0xa0
    mov x1,#0x00
    add x1, x0, #0x14
    mov x0,x1
    bl _B
    mov x0,#0x0
    ret

_B:
    add x0, x0, #0x10
    ret

使用xcode编写汇编代码

创建一个新工程，然后新建一个空文件 empty，然后输入文件名，注意汇编语言的扩展名为.s

Xnip2021-04-10_17-10-36.png

image.png

image.png

image.png

-----逻辑教育资料

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