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001--初识汇编

001--初识汇编

我们在前期的学习中,了解到在逆向开发中,非常重要的一个环节就是静态分析.首先我们是逆向iOS系统上面的APP.那么我们知道,一个APP安装在手机上面的可执行文件本质上是二进制文件.因为iPhone手机本质上执行的指令是二进制.是由手机上的CPU执行的.所以静态分析是建立在分析二进制上面.所以今天我们接下来的课程从非常基础的东西开始讲解.

汇编语言的发展

机器语言

由0和1组成的机器指令.

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

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

###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

  • 汇编语言机器语言一一对应,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

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(哥么我学了能干啥?)

  • 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
    • ......

最后来句装13的话

越底层越单纯!真正的程序员都需要了解的一门非常重要的语言,汇编!

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

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

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  • 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

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  • 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

15193693448725.jpg

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

做个小练习

  • 一个CPU 的寻址能力为8KB,那么它的地址总线的宽度为____
  • 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____KB, ____MB,____MB,____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:____B,____B,____B,____B,____B,
  • 从内存中读取1024字节的数据,8086至少要读____次,80386至少要读取____次.

答案

练习

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

##进制 学习进制的障碍

很多人学不好进制,原因是总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,这种学习方法是错误的. 我们为什么一定要转换十进制呢?仅仅是因为我们对十进制最熟悉,所以才转换. 每一种进制都是完美的,想学好进制首先要忘掉十进制,也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

#####做个练习

  • 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!!

###进制的运算

#####做个练习

  • 八进制运算
    • 2 + 3 = __ , 2 * 3 = __ ,4 + 5 = __ ,4 * 5 = __.

    • 277 + 333 = __ , 276 * 54 = __ , 237 - 54 = __ , 234 / 4 = __ .

#####八进制加法表

 0  1  2  3  4  5  6  7 
10 11 12 13 14 15 16 17
20 21 22 23 24 25 26 27
...

1+1 = 2						
1+2 = 3   2+2 = 4				
1+3 = 4   2+3 = 5   3+3 = 6
1+4 = 5   2+4 = 6   3+4 = 7   4+4 = 10  
1+5 = 6   2+5 = 7   3+5 = 10  4+5 = 11  5+5 = 12
1+6 = 7   2+6 = 10  3+6 = 11  4+6 = 12  5+6 = 13  6+6 = 14
1+7 = 10  2+7 = 11  3+7 = 12  4+7 = 13  5+7 = 14  6+7 = 15  7+7 = 16
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#####八进制乘法表

0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 25 26 27...
1*1 = 1						
1*2 = 2	  2*2 = 4				
1*3 = 3	  2*3 = 6	3*3 = 11	
1*4 = 4	  2*4 = 10	3*4 = 14  4*4 = 20
1*5 = 5	  2*5 = 12	3*5 = 17  4*5 = 24  5*5 = 31
1*6 = 6	  2*6 = 14	3*6 = 22  4*6 = 30  5*6 = 36  6*6 = 44
1*7 = 7	  2*7 = 16	3*7 = 25  4*7 = 34  5*7 = 43  6*7 = 52  7*7 = 61
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#####实战四则运算

   277         236         276         234
+  333       -  54       *  54       /   4
--------    --------    --------    --------    
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###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
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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

###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]));
    }
}
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###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!

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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
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###自定义进制符号 #####练习

  • 现在有10进制数 10个符号分别是:2,9,1,7,6,5,4, 8,3 , A 逢10进1 那么: 123 + 234 = ____

十进制:    0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
自定义:    2  9  1  7  6  5  4  8  3  A
         92 99 91 97 96 95 94 98 93 9A
         12 19 11 17 16 15 14 18 13 1A
         72 79 71 77 76 75 74 78 73 7A
         62 69 61 67 66 65 64 68 63 6A
         52 59 51 57 56 55 54 58 53 5A
         42 49 41 47 46 45 44 48 43 4A
         82 89 81 87 86 85 84 88 83 8A
         32 39 31 37 36 35 34 38 33 3A
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那么刚才通过10进制运算可以转化10进制然后查表!但是如果是其他进制.我们就不能转换,要直接学会查表

  • 现在有9进制数 9个符号分别是:2,9,1,7,6,5,4, 8,3 逢9进1 那么: 123 + 234 = ____

十进制:    0  1  2  3  4  5  6  7  8  
自定义:    2  9  1  7  6  5  4  8  3  
         92 99 91 97 96 95 94 98 93 
         12 19 11 17 16 15 14 18 13 
         72 79 71 77 76 75 74 78 73 
         62 69 61 67 66 65 64 68 63 
         52 59 51 57 56 55 54 58 53 
         42 49 41 47 46 45 44 48 43 
         82 89 81 87 86 85 84 88 83 
         32 39 31 37 36 35 34 38 33 
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##CPU&寄存器

内部部件之间由总线连接 15193738988252.jpg

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!

注意: 了解过8086汇编的同学知道,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

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  • 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

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  • 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
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  • 汇编概述:
    • 使用助记符代替机器指令的一种编程语言
    • 汇编和机器指令是一一对应的关系,拿到二进制就可以反汇编
    • 由于汇编和CPU的指令集是对应的,所以汇编不具备移植性
  • 总线:是有一堆导线的集合
    • 地址总线:
      • 地址总线的宽度决定了寻址能力
    • 数据总线
      • 数据总线的宽度决定了CPU数据的吞吐量
  • 进制
    • 任意进制,都是由对应个数的符号组成的,符号可以定义
    • 2\8\16是相对完美的进制,他们之间的关系
      • 3个2进制位使用一个8进制标识
      • 4个2进制位使用一个16进制标识
      • 两个16进制位可以标识一个字节
    • 数量单位
      • 1024 = 1K; 1024K = 1M;1024M = 1G
    • 容量单位
      • 1024 = 1KB; 1024KB = 1MB;1024MB = 1GB
      • B:byte(字节) 1B = 8bit
      • bit(比特):一个二进制位
    • 数据的宽度
      • 计算机中的数据是会有宽度的,超过了就会溢出
  • 寄存器:CPU为了性能,在内部开辟了一块临时存储区域
    • 浮点向量寄存器
    • 异常状态寄存器
    • 通用寄存器:除了存放数据有时候也有特殊的用途
      • ARM64拥有32个64位的通用寄存器X0-X30以及XZR(零寄存器)
      • 为了兼容32位所以ARM64拥有W0-W28\WZR 30个32位寄存器 (fp和lr没有用来兼容低地址位)
    • PC寄存器:指针指令寄存器
      • PC寄存器里面的值保存的就是CPU接下来需要执行的地址指令!
      • 改变PC的值就可以改变程序的执行流程

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003-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!

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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
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###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
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###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

状态(标志)寄存器

  • ARM64cpsr寄存器(32位)位状态寄存器
  • 最高位(28、29、30、31)为标志位
  • N标志(负标记位)
    • N = 1 为负数
    • N = 0 非负数
  • Z标志 (0标记位)
    • Z = 1 结果为0
    • Z = 0 结果为非0
  • C标志 (无符号数溢出)
    • 加法:进位 C = 1,否则 C = 0
    • 减法:借位 C = 0,否则 C = 1
  • V标志 (有符号数溢出)
    • 正数+正数 = 负数 V = 1
    • 负数+负数 = 正数 V = 1
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iOS
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