20145335郝昊《信息安全系统设计基础》第五周学习总结

20145335 《信息安全系统设计基础》第五周学习总结

教材学习内容总结

• 本章概述：

  本周学习了C语言提供的抽象层下面的东西，以了解机器级编程。通过让编译器产生机器级程序的汇编代码表示，我们了解了编译器和它的优化能力，还有一些机器、数据类型和指令集。

  机器级程序和它们的汇编代码表示与C程序的差别很大。程序是以指令序列来表示的，每条指令都完成一个单独的操作。编译器必须使用多条指令来产生和操作各种数据结构。

  用字节代码作为程序的低级表示，优点是相同的代码可以在许多不同的机器上执行，而本章谈到的机器代码只能在x86机器上运行。

• 知识点小结：

  • x86经历的寻址方式：

    • DOS时代的平坦模式，不区分用户空间和内核空间，很不安全
    • 8086的分段模式
    • IA32的带保护模式的平坦模式

  • 程序编码和数据格式：

    • 使用GCC编译时候命令行中加入 -o1使用第一级优化 、-o2使用第二级优化
    • gcc -S xxx.c -o xxx.s 获得汇编代码，也可以用objdump -d xxx 反汇编; 注意函数前两条和后两条汇编代码，所有函数都有，建立函数调用栈帧。
    • b：8位、w：16位、l：32位。
    • 注意: 64位机器上想要得到32代码：gcc -m32 -S xxx.c
    • 格式的注解：ATT和Intel汇编代码格式。
    • 理解寄存器%eax、%ecx、%edx、%ebx为通用寄存器，%esi和%edi可以用来操作数组，%esp和%edp可以操作指针。
    • MOV指令是使用最频繁的指令，注意不能直接从一个内存地址MOV到另一个内存地址，要在寄存器中中转一下。
    • 注意栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的。
    • 指针就是地址，局部变量保存在寄存器中。

  • 算数和逻辑操作：

    • leal指令，加载有效地址，是movl指令的一个变形
    • 一元操作只有一个操作数，既是源又是目的。
    • 注意二元操作，源操作数是第一个，目的操作数是第二个，注意减法操作后-前
    • 移位操作先可以给出移位量，第二项再给出要移位的数值。

  • 控制：

    • 用jump指令可以改变一组机器代码指令的执行顺序。对于switch语句可以采用jump table跳转表来完成跳转。
    • 条件码寄存器用来设置跳转的条件位的。
    • leal不改变条件码寄存器。
    • SET指令根据计算t=a-b设置条件码。
    • 有条件跳转（if、while、for）注意看条件码寄存器和无条件跳转（goto）。
    • if-else结构：使用了goto语句。
    • 循环结构：do-while是最基本的循环结构，其他的循环首先会转换成do-while来产生循环代码。每次循环会测试表达式，如果测试为真（非零）继续循环。c语言中三种形式的循环do-while、while和for都可以用一种简单策略来翻译，产生包含一个或多个条件分支的代码。控制条件转移为循环翻译成机器代码提供了基本机制。
    • switch的jt表中引用&&作为新的指针，执行switch语句的关键步骤是通过跳转表来访问代码位置。

  • 过程：

    • IA32程序用程序栈来支持过程调用。注意：栈是向低地址增长的。
    • 栈帧结构：用来传递参数、储存返回信息、保存寄存器、以及本地存储
    • call/ret; 函数返回值存在%eax中
    • leave指令可以使栈做好返回的准备
    • 程序寄存器是唯一能被所有过程共享的资源。

教材学习中的问题和解决过程

• 对于数据格式的知识

  在书p111页给了数据格式，在汇编代码的后缀。在之后学习mov指令的时候，其中有一个指令movl $Ox4050，%eax ，可是在之后使用中发现movl指令对于双精度浮点数可以进行传送。后来看书，知道了汇编代码也使用后缀 ‘l’`来表示4字节整数和8字节双精度浮点数。其实并不会产生歧义，因为浮点数使用的是一组完全不同的指令和寄存器。

• 对于寻址模式

  首先在对于%eax和(%eax)有点疑问，不知道二者样子相同，二者具体有什么不同，后来通过看书上p113的表格，其中有寄存器Ea，操作数值是R[Ea],储存器（Ea）操作数值是M[R[Ea]]。虽然二者看起来样子很相似，但本质还是不一样的，一个是寄存器，另一个则表示缓存器，二者所代表的值也是不同的。

• 对于栈

  栈在数据结构中就有所接触，遵循先进后出的原则。但是对于为什么栈底的地址大，栈顶的地址值小？如果这样那么栈就不会很大吗？通过网上百度，解决了这一问题。在Windows下，栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在Windows下栈的大小是固定的空间（1M或2M）超过栈的剩余空间会提示overflow。就类似于数组中的内个i，stack[i]，入栈后i-1，出栈后i+1，i始终指向栈顶。

• 对于控制

  首先对于这部分的知识不明白条件码和循环的具体关系是什么，导致在学习的时候有点云里雾里。后来询问同学后得知，因为这一小节是循环汇编，不仅有无条件跳转goto还有条件跳转（do-while、for、switch），而对于汇编低级就算计语言不能很准确的翻译条件，需要借助一些条件码，比如CF:进位标志、ZF：零标志、SF：符号标志、OF溢出标志等，这样相互配合使用这些条件码就能解决了循环条件，这样也就解决了问题。

• 对于Switch语句

  起初书上给的例子是有开关100、102~104、106，通过汇编代码，首先将106与100做差值运算，这样就会简化汇编语言的操作。可是对于这个例子102 开关之后没有break；既没有跳出语句，会继续操作103的代码，汇编语言是怎么实现的？通过自己动手操作了书上的例子后，两种情况有不同的目的地址，将这两个代码块都汇总到将result加11的代码，这样就解决了问题。

代码调试中的问题和解决过程

• 练习的c代码
  

• 汇编代码，注意：要删除.开头的代码
  

• cat homework例子的汇编代码
  

• 查看可执行文件的二进制内容
  

• 将可执行文件转换为反汇编代码
  

课后作业中的问题和解决过程

• 习题3.1

  其中有一个是260（%ecx，%edc）计算值，起初一直把260当作十进制运算，可是没有结果，后来发现260是十进制，但是参与运算时需要将其转换为16进制再次参与运算，这样260=Ox104这样答案也就得到了。

• 习题3.2

  指令的补全，对于mov指令格式为mov s，d，将s传送给d。但是对于MOV %eax，（%eax） 为什么是MOVL而不是MOVW？后来知道%ax为寄存器16位，%eax是扩展寄存器32位，这样就需要传送双字，就需要MOVL指令。

• 习题3.7

  对于指令imull $16,(%eax,%edx,4)其中后面部分(%eax,%edx,4)为目的操作数，计算出来为Ox10C,对于16是十进制，如习题3.1一样，在运算时候需要换成十六进制Ox10，这样对其运算就可以得到正确的结果。

• 习题3.29

  对于switch语句的汇编代码，最初在做的时候存在序号问题，后来仔细查阅了解C语言中case对应的序号对应着跳转表中的序号，需要注意的时候跳转表中的序号从0开始的。

本周代码托管截图

https://git.oschina.net/20145335/Linux-besti-is-20145335.git

其他（感悟、思考等，可选）

本周的学习内容是建立在汇编语言的基础之上的，最开始也会疑问，学习使用计算机，会编程就已经可以了，为什么还需要去掌握这些低级的语言，但是目的不仅仅是会编程而已，是需要了解计算机系统的操作原理和运行的每一步的。就比如最早接触的c语言，虽然一个hello world简单，但是是如何一步步从0、1比特流转换而来的。这都是需要我们去理解的，理解了它的历史，才有可能去发展它的未来。这周在本章下了很多时间，也补了很多汇编语言的功课，总之还是要去认认真真去对待每一个章节的知识点，这样才能融汇贯通。

学习进度条

	代码行数（新增/累积）	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	200/200	2/2	20/20
第二周	300/500	2/4	18/38
第三周	500/1000	3/7	24/60
第四周	1000/1300	2/9	30/90	加强对汇编语言的理解

参考资料

• 《深入理解计算机系统V2》学习指导
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