iOS彙編基礎（二）暫存器

meryin發表於2018-05-08
iOS

以arm64為例

xcode除錯彙編

1. xcode 檢視執行時的彙編程式碼

debug -> debug workflow -> always showdisassembly

2. Xcode改變pc值

register write pc 0x1005d6928

3. 單步執行一步彙編程式碼：ni

4. 讀取某個暫存器

(lldb) register read x0
      x0 = 0x0000000000000000
(lldb) 
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5. 進入某個彙編函式

按住control+Xcode的下箭頭鍵

6. 新建彙編檔案或內嵌彙編程式碼

新建：command+N 然後選擇assembly file 內嵌：

int main(int argc, char * argv[]) {
    asm(
        "mov w0,#0x0\n"
        "adds w0,w0,#0x1\n"
        );
    return 0;
}
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一 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! ######Xcode檢視暫存器：
    螢幕快照 2018-04-24 下午11.13.22.png
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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

二 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
  • 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

三 bl指令

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。

  • 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
  • ARM64提供bl指令來修改PC的值

四 資料地址暫存器

資料地址暫存器通常用來做資料計算的臨時儲存、做累加、計數、地址儲存等功能。定義這些暫存器的作用主要是用於在CPU指令中儲存運算元，在CPU中當做一些常規變數來使用。 ARM64中

  • 64位: X0-X30, XZR(零暫存器)
  • 32位: W0-W30, WZR(零暫存器)

注意: 之前講解8086彙編中有一種特殊的暫存器段暫存器:CS,DS,SS,ES四個暫存器來儲存這些段的基地址,這個屬於Intel架構CPU中.在ARM中並沒有

五 浮點和向量暫存器

因為浮點數的儲存以及其運算的特殊性,CPU中專門提供浮點數暫存器來處理浮點數

  • 浮點暫存器 64位: D0 - D31 32位: S0 - S31

現在的CPU支援向量運算.(向量運算在圖形處理相關的領域用得非常的多)為了支援向量計算系統了也提供了眾多的向量暫存器.

  • 向量暫存器 128位:V0-V31
    590B7934-C13F-4E0A-8120-BB01CAD64E18.png

六 一些特殊暫存器

1. 引數：x0 -- x7(個數有關係、資料型別也有關，比如浮點暫存器等)多餘的就會入棧
2. lr(x30)儲存下一條指令地址，bl會跳轉到x30指向的地址去執行程式碼
3. sp暫存器：sp拉伸棧空間（16的倍數）
4. 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

4. ret 返回到lr暫存器所儲存的地址 執行程式碼，返回值儲存到x0中

七 CPSR(current program status register)狀態暫存器

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
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1. N（Negative）標誌

N，符號標誌位。 它記錄相關指令執行後,其結果是為負 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)；

2. Z(Zero)標誌

Z，0標誌位。 它記錄相關指令執行後,其結果是為0. 那麼Z = 1.如果結果不為0,那麼Z = 0.

3. C(Carry)標誌

C，進位標誌位。[圖片上傳中...(15201651736312.jpg-68cfc1-1524662058998-0)] 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：

iOS彙編基礎（二）暫存器

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
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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,#0x0
subs w0,w0,#0xff ;
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff
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4. 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

八 函式的本質

函式的本質就是函式呼叫棧，只要呼叫函式，就會開闢棧空間。發生函式呼叫時，sp拉伸棧空間，函式的引數是存放在X0到X7(W0到W7)這8個暫存器裡面的.如果超過8個引數,就會入棧，區域性變數也入棧，x29和x30也要入棧以便bl跳轉回來能找到下一條指令繼續執行,如果是葉子函式，則不用儲存x29和x30。函式的返回值是放在X0 暫存器裡面的。所以拉伸棧空間的大小和引數，區域性變數以及x29和x30有關。

1. 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）

iOS彙編基礎（二）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!

2. 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.

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.程式碼如下：

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
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