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【头歌】完整汇编语言程序设计

摘自头歌实训​​​​​​

目录

相关知识

1.1 RISC-V 汇编语言程序基本结构

1.2 RISC-V 汇编语言程序主要元素

1.2.1 汇编指令

1.2.2 标签

1.2.3 汇编指示语句

1.3 RISC-V 汇编语言程序示例


相关知识

RISC-V 操作数类型、基本调用约定等已在前序关卡中介绍,前序关卡主要完成 C 语言基本语句到 RISC-V 汇编指令的转换。本关卡将通过一个简单的 C 语言程序与其对应的 RISC-V 汇编语言程序向同学们介绍完整的汇编语言程序的基本结构。

1.1 RISC-V 汇编语言程序基本结构

RISC-V 汇编语言表示为文本文件,主要包含四种主要元素:

  • 汇编指令(Assembly instructions):包含助忆符和相关参数序列(即操作数)的字符序列,可被汇编器转换成机器指令。例如,字符串 addi a0, a1, 1 包含助忆符 addi 及其操作数 a0a1 和 1
  • 汇编指示语句(Assembly directives):用于辅助汇编的命令,通过汇编器转换成实际的若干条汇编指令,或通过汇编器进行解释。例如,指示语句 .word 10 告诉汇编器将一个 32 位 (.word)的值 10 汇编到程序中。汇编指示语句编码为字符串,包含一个以点(.)为前缀的指示语句名(directive name)及其对应的参数
  • 注释(Comments):用于提示代码相关信息,不影响目标代码生成,汇编器处理时丢弃注释语句
  • 标签(Labels):表示程序位置,通常用冒号(:)标记,可以用于标记程序位置,其他汇编指令或者汇编命令(如汇编指示语句)可通过标签查找程序位置

汇编器丢弃注释等操作通过一个汇编前处理过程实现,将所有注释丢弃,并删除多余的空格,处理后的汇编程序仅包含三种元素:标签、汇编指令和汇编指示语句。若分别用 <label><instruction><directive> 表示有效的标签、汇编指令和汇编指示语句,则完成的汇编语言程序可以用下图所示的正则表达式表示:

即:

  • 程序(PROGRAM) 由 若干行(LINES) 组成
  • 若干行(LINES) 包含至少一行(LINE),该行后可以通过换行符出现其他行
  • 一行(LINE) 有以下形式:
    • 空行([x] 代表 x 是可选内容,可以不出现)
    • 仅包含一个标签
    • 包含一个标签、后跟一条汇编指令
    • 仅包含一条汇编指令
    • 包含一个标签、后跟一条汇编指示语句
    • 仅包含一条汇编指示语句

1.2 RISC-V 汇编语言程序主要元素

1.2.1 汇编指令

汇编指令主要包含实际汇编指令和伪指令,其中的汇编指令可直接与 RISC-V 指令对应,例如 addi x0, x0, 0 可直接对应机器指令 00000013 (十六进制形式)。伪指令则没有直接对应的 RISC-V 指令,但是汇编器会将伪指令转换为若干条对应功能的机器指令,例如 nop 伪指令代表 空操作,该指令不存在实际的 RISC-V 对应指令,但是由于 addi x0, x0, 0 指令相当于不执行任何操作,因此汇编器将伪指令 nop 转换为 addi x0, x0, 0mv 伪指令代表将一个寄存器的值复制到另一个寄存器,因此伪指令 mv a5, a7 可以转换为实际指令 addi a5, a7, 0

汇编指令中的操作数主要包含下列类型:

  • 寄存器名:表示所有 ISA 寄存器中的某个寄存器,可以是通用的编号名称,即 x0 到 x31,也可以是按照调用约定规定的寄存器别名。例如,第 5 号寄存器的寄存器名可以是 x5,也可以是 t0 (临时寄存器)
  • 立即数值:立即数值是直接编码在机器指令中的常数值
  • 符号名:符号名可以在符号表中找到对应的符号,在汇编和链接的过程中会替换为实际符号表达的数值,可以是用户自定义的符号名,也可以是汇编器自动生成的符号名(例如标签对应的符号名)

1.2.2 标签

标签可用于标记程序位置,可以标记指令和汇编指示语句的位置,在汇编和链接的过程中被翻译为实际的地址。GNU 汇编器通常接受两种类型的标签:符号标签和数字标签。

符号标签存储为符号表中的符号,用于标识全局变量和子程序,符号标签定义为标识符及冒号(例如:label:)。

数值标签则由十进制数字及冒号定义(例如:1:),用于局部参考,不出现在可执行文件的符号表中,在同一个汇编程序中可以反复重定义。对数值标签的引用需要包含后缀以表明数值标签的位置在引用之前(后缀 b) 或者引用之后(后缀 f)。

以上图所示的数值标签为例,图中包含数值标签 1,该标签定义了两次,其中,指令 beqz a1,1f 引用的标签位置为第二个标签(即该指令出现之后的标签 1),指令 j 1b 引用的标签位置则为第一个标签(即该指令出现之前的标签 1)。

1.2.3 汇编指示语句

汇编指示语句表示为前缀 . 加上一个标识符,用于控制汇编器行为,例如汇编指示语句 .section .data 表示指导汇编器将 .data 段转换为活跃段(active section),.data 10 汇编指示语句则表示指导汇编器汇编一个 32 位数值,并将其添加到当前的活跃段。

汇编指示语句的主要作用包括:

  • 向程序中添加数值,例如 .byte 汇编指示语句添加若干个 8 比特的数据、.string 汇编指示语句添加一个以空字符 NULL 结尾的字符串,用于添加数值的汇编指示语句如下图所示:

  • .section 汇编指示语句。RISC-V 汇编语言程序以“段”(section)的形式组织,每个段包含数据或指令,每个段映射到主存中的一段连续地址空间,对于 Linux 系统,RISC-V 编译器生成的可执行文件通常包含下列段: .text :存储程序指令的段,即 代码段.data :存储 初始化的全局变量 的段;.bss:存储 未初始化全局变量 的段;.rodata:存储常量的段,即 只读数据段。 .section secname 汇编指示语句汇编器处理的该语句之后的所有信息添加到 名为 secname 的段中

1.3 RISC-V 汇编语言程序示例

本节以一个简单的 C 语言程序及其对应的汇编语言程序介绍完整的 RISC-V 汇编语言程序结构。

以如下的 C 语言程序为例,该程序定义全局变量 n (整型) 及 fibonacci_array (长度为 100 的整型数组),在该程序的 main 函数中,将数组 fibonacci_array 的前两个元素初始化为 1,该数组存储一个斐波那契数列,本程序计算数组的前 n+1 个元素的数值:

#include <stdio.h>

int n = 10;
int fibonacci_array[100];

int main() {
fibonacci_array[0] = 1;
fibonacci_array[1] = 1;

int i;
for(i = 2; i <= n; ++ i) {
fibonacci_array[i] = fibonacci_array[i-2] + fibonacci_array[i-1];
}

printf("%d", fibonacci_array[n]);
return 0;
}

若只保留核心功能对应的汇编指令,上述的 C 语言程序对应的 RISC-V 汇编语言程序可以写为:

.data
    n: .word 10
    fibonacci_array: .zero 400
.text
    main:
        addi x5, x0, 1
        la x6, fibonacci_array
        sw x5, 0(x6)
        sw x5, 4(x6)
        la x7, n
        lw x7, 0(x7)
        addi x28, x0, 2
        for_loop:
            blt x7, x28, end_loop
            # load fibonacci_array[i-2] to x29
            addi x29, x28, -2
            slli x29, x29, 2
            add x29, x6, x29
            lw x29, 0(x29)
            # load fibonacci_array[i-1] to x30
            addi x30, x28, -1
            slli x30, x30, 2
            add x30, x6, x30
            lw x30, 0(x30)
            # add x29 (fibonacci_array[i-2]) and x30 (fibonacci_array[i-1]) to x31
            add x31, x29, x30
            # store x31 to fibonacci_array[i]
            addi x29, x28, 0
            slli x29, x29, 2
            add x29, x6, x29
            sw x31, 0(x29)
            # i = i + 1            
            addi x28, x28, 1
            j for_loop
        end_loop:
            addi x29, x7, 0
            slli x29, x29, 2
            add x29, x6, x29
            lw x29, 0(x29)
            addi a7, x0, 1
            addi a0, x29, 0
            ecall
        addi a7, x0, 10
        ecall

示例的 C 语言程序和 RISC-V 汇编语言程序对应关系如下图所示(单击图片可放大查看):

其中:

  • 全局变量的定义通过汇编指示语句实现,即在 .data 段定义初始化的全局变量,在该例子中,.data 段内定义了整型变量 n,整型类型为 4 字节,对应 RISC-V 中的一个“字”,因此其定义语句为 n: .word 10,该指示语句由三部分组成,即标签、数据类型、变量值,分别对应变量名称、变量大小、变量数值;.data 段还定义了整型数组 fibonacci_array,该数组类型为整型、长度为 100,故其大小为 400 字节,其定义语句为 fibonacci_array: .zero 400,该指示语句表示为 fibonacci_array 初始化 400 字节的内存空间,每个字节数值设置为 0,即定义长度为 100 的整型数组,并将数组元素值初始化为 0。
  • 变量的赋值通过组合一系列指令实现,该例子中,局部变量 i 直接存储在 x28 寄存器中,因此 i 的赋值可直接通过运算类指令 addi 实现;实际情况下的变量通常存储在内存区域中,则此时变量的运算和赋值需要通过访存指令和运算类指令实现,如例子中对 fibonacci_array[0]=1 的实现可分为如下步骤:
    1. 运算赋值语句右边表达式的值。本例中该值为常数 1,因而直接由指令 addi x5, x0, 1 得到赋值语句的右表达式值,并将其存放在 x5 寄存器中
    2. 获取变量内存地址。本例中通过伪指令 la x6,fibonacci_array 将数组的地址存放在 x6 寄存器中
    3. 存储变量值。本例中,fibonacci_array[0] 的地址可由 fibonacci_array 作为基地址、0 (即 0 * 4)作为偏移量计算得到,因此,可由指令 sw x5, 0(x6) 将赋值语句的右表达式值(当前存储在 x5 寄存器中)存储到变量对应的内存区域
  • 库函数的调用遵循子程序调用流程,但实际实现时候输入/输出功能由系统调用实现,在本例中,printf 函数仅输出一个整型数值,该功能可由系统调用直接实现,若编译器中规定该系统调用功能编号为 1、系统调用功能选择由 a7 寄存器指定,则本例中的 printf("%d", fibonacci_array[n]); 语句的实现可分为如下步骤:
    1. 获取输出整型的数值。由于变量 n 的地址已经通过伪指令 la x7, n 存放在 x7 寄存器中,故由 addi x29, x7, 0 和 slli x29, x29, 2 两条指令计算 fibonacci_array[n] 相对于 fibonacci_array 的偏移量(由于数组类型为整型,故偏移量为 n * 4,实际可通过逻辑左移两位实现等价功能);此例中数组 fibonacci_array 的地址已经通过伪指令 la x6, fibonacci_array 存放在 x6 寄存器中,因此 fibonacci_array[n] 的实际地址可以通过 x6 寄存器内容加上偏移量得到,即指令 addi x29, x6, x29 计算 fibonacci_array[n] 的实际地址并将其存放在 x29 寄存器中;最后,通过 lw x29, 0(x29) 指令将该数组元素的实际值从内存中加载到 x29 寄存器
    2. 设置系统调用编号及参数。本例使用的 RISC-V 汇编语言假设约定系统调用编号存放在 a7 寄存器中、参数存放在 a0 寄存器中,且打印整型数值的系统调用编号为 1,因此,可以通过指令 addi, a7, x0, 1 设置选择打印整型数值,通过指令 addi a0, x29, 0 将获取的整型数值存放在参数寄存器中,通过指令 ecall 完成系统调用
  • main 函数执行 return 0; 后实际程序还有其他处理流程,本例子中假设 main 函数执行 return 0; 表示程序完成功能、退出执行,因而可以通过 10 号系统调用退出程序执行。注意:实际的完整汇编程序中,return 0; 语句执行后会返回到调用 main 函数的地方继续执行

系统调用的知识——是否联想到PWN中的ret2syscall了呢? 


http://www.kler.cn/a/17962.html

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