逆向學習筆記3——暫存器與彙編指令

CPU包括控制器、運算器、暫存器。其中暫存器的作用就是進行資料的臨時儲存。

CPU的運算速度是非常快的，為了效能CPU在內部開闢一小塊臨時儲存區域，並在進行運算時先將資料從記憶體複製到這一小塊臨時儲存區域中，運算時就在這一小快臨時儲存區域內進行。我們稱這一小塊臨時儲存區域為暫存器。

對於arm64系的CPU來說， 如果暫存器以x開頭則表明的是一個64位的暫存器，如果以w開頭則表明是一個32位的暫存器，在系統中沒有提供16位和8位的暫存器供訪問和使用。其中32位的暫存器是64位暫存器的低32位部分並不是獨立存在的。

快取記憶體

iPhoneX上搭載的ARM處理器A11它的1級快取的容量是64KB，2級快取的容量8M.

CPU每執行一條指令前都需要從記憶體中將指令讀取到CPU內並執行。而暫存器的執行速度相比記憶體讀寫要快很多,為了效能,CPU還整合了一個快取記憶體儲存區域.當程式在執行時，先將要執行的指令程式碼以及資料複製到快取記憶體中去(由作業系統完成).CPU直接從快取記憶體依次讀取指令來執行.

暫存器

內部部件之間由匯流排連線

• 對程式設計師來說，CPU中最主要部件是暫存器，可以通過改變暫存器的內容來實現對CPU的控制
• 不同的CPU，暫存器的個數、結構是不相同的

通用暫存器

• ARM64擁有有31個64位的通用暫存器 x0 到 x30,這些暫存器通常用來存放一般性的資料，稱為通用暫存器（有時也有特定用途）

  • 那麼w0 到 w28 這些是32位的. 因為64位CPU可以相容32位.所以可以只使用64位暫存器的低32位.
  • 比如 w0 就是 x0的低32位!
  

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• 通常，CPU會先將記憶體中的資料儲存到通用暫存器中，然後再對通用暫存器中的資料進行運算

• 假設記憶體中有塊紅色記憶體空間的值是3，現在想把它的值加1，並將結果儲存到藍色記憶體空間

  
  
  

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• CPU首先會將紅色記憶體空間的值放到X0暫存器中：mov X0,紅色記憶體空間
• 然後讓X0暫存器與1相加：add X0,1
• 最後將值賦值給記憶體空間：mov 藍色記憶體空間,X0

pc暫存器(program counter)

• 為指令指標暫存器，它指示了CPU當前要讀取指令的地址

  
  
  

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• 在記憶體或者磁碟上，指令和資料沒有任何區別，都是二進位制資訊
• CPU在工作的時候把有的資訊看做指令，有的資訊看做資料，為同樣的資訊賦予了不同的意義
  • 比如 1110 0000 0000 0011 0000 1000 1010 1010
  • 可以當做資料 0xE003008AA
  • 也可以當做指令 mov x0, x8
• CPU根據什麼將記憶體中的資訊看做指令？
  • CPU將pc指向的記憶體單元的內容看做指令
  • 如果記憶體中的某段內容曾被CPU執行過，那麼它所在的記憶體單元必然被pc指向過

棧

• 棧：是一種具有特殊的訪問方式的儲存空間（後進先出， Last In Out Firt，LIFO）

  
  
  

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SP和FP暫存器

• sp暫存器在任意時刻會儲存我們棧頂的地址.
• fp暫存器也稱為x29暫存器屬於通用暫存器,但是在某些時刻我們利用它儲存棧底的地址!()

注意:ARM64開始,取消32位的 LDM,STM,PUSH,POP指令! 取而代之的是ldr\ldp str\stp
ARM64裡面 對棧的操作是16位元組對齊的!!

狀態暫存器

   CPU內部的暫存器中,有一種特殊的暫存器(對於不同的處理器,個數和結構都可能不同).這種暫存器在ARM中,被稱為狀態暫存器就是CPSR(current program status register)暫存器
CPSR和其他暫存器不一樣,其他暫存器是用來存放資料的,都是整個暫存器具有一個含義.而CPSR暫存器是按位起作用的,也就是說,它的每一位都有專門的含義,記錄特定的資訊.

注:CPSR暫存器是32位的

• CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）稱為控制位，程式無法修改,除非CPU執行於特權模式下,程式才能修改控制位!
• N、Z、C、V均為條件碼標誌位。它們的內容可被算術或邏輯運算的結果所改變，並且可以決定某條指令是否被執行!意義重大!

N（Negative）標誌

CPSR的第31位是 N，符號標誌位。它記錄相關指令執行後,其結果是否為負.如果為負 N = 1,如果是非負數 N = 0.

   注意,在ARM64的指令集中,有的指令的執行時影響狀態暫存器的,比如add\sub\or等,他們大都是運算指令(進行邏輯或算數運算)；

Z(Zero)標誌

CPSR的第30位是Z，0標誌位。它記錄相關指令執行後,其結果是否為0.如果結果為0.那麼Z = 1.如果結果不為0,那麼Z = 0.

   對於Z的值,我們可以這樣來看,Z標記相關指令的計算結果是否為0,如果為0,則N要記錄下"是0"這樣的肯定資訊.在計算機中1表示邏輯真,表示肯定.所以當結果為0的時候Z = 1,表示"結果是0".如果結果不為0,則Z要記錄下"不是0"這樣的否定資訊.在計算機中0表示邏輯假,表示否定,所以當結果不為0的時候Z = 0,表示"結果不為0"。

C(Carry)標誌

CPSR的第29位是C，進位標誌位。一般情況下,進行無符號數的運算。
加法運算：當運算結果產生了進位時（無符號數溢位），C=1，否則C=0。
減法運算（包括CMP）：當運算時產生了借位時（無符號數溢位），C=0，否則C=1。

   對於位數為N的無符號數來說，其對應的二進位制資訊的最高位，即第N - 1位，就是它的最高有效位，而假想存在的第N位，就是相對於最高有效位的更高位。如下圖所示：

進位

   我們知道，當兩個資料相加的時候，有可能產生從最高有效位向更高位的進位。比如兩個32位資料：0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa,將產生進位。由於這個進位值在32位中無法儲存，我們就只是簡單的說這個進位值丟失了。其實CPU在運算的時候，並不丟棄這個進位制，而是記錄在一個特殊的暫存器的某一位上。ARM下就用C位來記錄這個進位值。比如，下面的指令

mov w0,#0xaaaaaaaa；0xa 的二進位制是 1010
adds w0,w0,w0； 執行後 相當於 1010 << 1 進位1（無符號溢位） 所以C標記 為 1
adds w0,w0,w0； 執行後 相當於 0101 << 1 進位0（無符號沒溢位） 所以C標記 為 0
adds w0,w0,w0； 重複上面操作
adds w0,w0,w0

借位

   當兩個資料做減法的時候，有可能向更高位借位。再比如，兩個32位資料：0x00000000 - 0x000000ff,將產生借位，借位後，相當於計算0x100000000 - 0x000000ff。得到0xffffff01 這個值。由於借了一位，所以C位 用來標記借位。C = 0.比如下面指令：

"mov w0,#0x7fffffff\n"             //暫存器 cpsr = 0x60000000     0110
"adds w0,w0,#0x2\n"             //暫存器 cpsr  = 0x90000000     1001
"mov w0,#0x80000000\n"     //暫存器 cpsr  =0x90000000      1001
"subs w0,w0,#0x2\n"            //暫存器 cpsr   = 0x30000000     0011

V(Overflow)溢位標誌

CPSR的第28位是V，溢位標誌位。在進行有符號數運算的時候，如果超過了機器所能標識的範圍，稱為溢位。

• 正數 + 正數 為負數 溢位
• 負數 + 負數 為正數 溢位
• 正數 + 負數 不可能溢位

關於記憶體讀寫指令

注意:讀/寫 資料是都是往高地址讀/寫

str(store register)指令

將資料從暫存器中讀出來,存到記憶體中.

ldr(load register)指令

將資料從記憶體中讀出來,存到暫存器中

此ldr 和 str 的變種ldp 和 stp 還可以操作2個暫存器.

堆疊操作練習

使用32個位元組空間作為這段程式的棧空間,然後利用棧將x0和x1的值進行交換.

sub    sp, sp, #0x20    ;拉伸棧空間32個位元組
stp    x0, x1, [sp, #0x10] ;sp往上加16個位元組,存放x0 和 x1
ldp    x1, x0, [sp, #0x10] ;將sp偏移16個位元組的值取出來,放入x1 和 x0

bl和ret指令

bl標號

• 將下一條指令的地址放入lr(x30)暫存器

• 轉到標號處執行指令

  
  
  

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ret

• 預設使用lr(x30)暫存器的值,通過底層指令提示CPU此處作為下條指令地址!

ARM64平臺的特色指令,它面向硬體做了優化處理的

x30暫存器

x30暫存器存放的是函式的返回地址.當ret指令執行時刻,會尋找x30暫存器儲存的地址值!

注意:在函式巢狀呼叫的時候.需要講x30入棧!

adrp

是計算指定的資料地址到當前PC值的相對偏移。

 /*1.先將1的值左移12位二進位制位則為 1 0000 0000 0000 ==> 0x1000
  *2.將 PC 暫存器的低12位清零，也就是0x100c1e6c4 ==> 0x100c1f000
  */
 0x100c1e6c4 <+36>: adrp   x0, 1

//0x100c1f000 + 0x65c ==> 0x100c1f65c也就是說這個常量所對應的值得地址是0x100c1f65c
 0x100c1e6c8 <+40>: add    x0, x0, #0x65c            ; =0x65c 
 
  memory read X  //簡寫memory read 簡寫x
  0x100400e48: d9 55 2b a5 01 00 00 00 c1 eb 3f 00 01 00 00 00  
  0x100400e58: ac c7 a0 8c 01 00 00 00 f8 0e 40 00 01 00 00 00  
 //iOS是從右邊向左讀10位 0x 01 a5 2b 55 d9
  p (char *)0x01a52b55d9 //實際是什麼型別，就強轉成什麼型別

bl指令

• CPU從何處執行指令是由pc中的內容決定的，我們可以通過改變pc的內容來控制CPU執行目標指令

• ARM64提供了一個mov指令（傳送指令），可以用來修改大部分暫存器的值，比如

  • mov x0,#10、mov x1,#20

• 但是，mov指令不能用於設定pc的值，ARM64沒有提供這樣的功能

• ARM64提供了另外的指令來修改PC的值，這些指令統稱為轉移指令，最簡單的是bl指令

bl指令 -- 練習

現在有兩段程式碼!假設程式先執行A,請寫出指令執行順序.最終暫存器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