2024年5月8日发(作者:)
Linux汇编语言(GNUGAS汇编)开发指南
编语言的优点是速度快,可以直接对硬件进行操作,这对诸如图形处理等关键应用是非常重
要的。Linux是一个用C语言开发的操作系统,这使得很多程序员开始忘记在Linux中还
可以直接使用汇编这一底层语言来优化程序的性能。本文为那些在Linux平台上编写汇编
代码的程序员提供指南,介绍Linux汇编语言的语法格式和开发工具,并辅以具体的例子
讲述如何开发实用的Linux汇编程序。
一、简介
作为最基本的编程语言之一,汇编语言虽然应用的范围不算很广,但重要性却勿庸置疑,因
为它能够完成许多其它语言所无法完成的功能。就拿Linux内核来讲,虽然绝大部分代码
是用C语言编写的,但仍然不可避免地在某些关键地方使用了汇编代码,其中主要是在
Linux的启动部分。由于这部分代码与硬件的关系非常密切,即使是C语言也会有些力不
从心,而汇编语言则能够很好扬长避短,最大限度地发挥硬件的性能。
大多数情况下Linux程序员不需要使用汇编语言,因为即便是硬件驱动这样的底层程序在
Linux操作系统中也可以用完全用C语言来实现,再加上GCC这一优秀的编译器目前已经
能够对最终生成的代码进行很好的优化,的确有足够的理由让我们可以暂时将汇编语言抛在
一边了。但实现情况是Linux程序员有时还是需要使用汇编,或者不得不使用汇编,理由
很简单:精简、高效和libc无关性。假设要移植Linux到某一特定的嵌入式硬件环境
下,首先必然面临如何减少系统大小、提高执行效率等问题,此时或许只有汇编语言能帮上
忙了。
汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互,它具有如下一些优点:
能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口;
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;
能够对关键代码进行更准确的控制,避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁;
能够根据特定的应用对代码做最佳的优化,提高运行速度;
能够最大限度地发挥硬件的功能。
同时还应该认识到,汇编语言是一种层次非常低的语言,它仅仅高于直接手工编写二进制的
机器指令码,因此不可避免地存在一些缺点:
编写的代码非常难懂,不好维护;
很容易产生bug,难于调试;
只能针对特定的体系结构和处理器进行优化;
开发效率很低,时间长且单调。
Linux下用汇编语言编写的代码具有两种不同的形式。第一种是完全的汇编代码,指的是整
个程序全部用汇编语言编写。尽管是完全的汇编代码,Linux平台下的汇编工具也吸收了C
语言的长处,使得程序员可以使用#include、#ifdef等预处理指令,并能够通过宏定义来
简化代码。第二种是内嵌的汇编代码,指的是可以嵌入到C语言程序中的汇编代码片段。虽
然ANSI的C语言标准中没有关于内嵌汇编代码的相应规定,但各种实际使用的C编译器
都做了这方面的扩充,这其中当然就包括Linux平台下的GCC。
二、Linux汇编语法格式
绝大多数Linux程序员以前只接触过DOS/Windows下的汇编语言,这些汇编代码都是
Intel风格的。但在Unix和Linux系统中,更多采用的还是AT&T格式,两者在语法格
式上有着很大的不同:
1.在AT&T汇编格式中,寄存器名要加上'%'作为前缀;而在Intel汇编格式中,寄
存器名不需要加前缀。例如:
AT&T格式
pushl%eax
Intel格式
pusheax
2.在AT&T汇编格式中,用'$'前缀表示一个立即操作数;而在Intel汇编格式中,
立即数的表示不用带任何前缀。例如:
AT&T格式Intel格式
pushl$1push1
&T和Intel格式中的源操作数和目标操作数的位置正好相反。在Intel汇编格
式中,目标操作数在源操作数的左边;而在AT&T汇编格式中,目标操作数在源操作
数的右边。例如:
AT&T格式Intel格式
addl$1,%eaxaddeax,1
4.在AT&T汇编格式中,操作数的字长由操作符的最后一个字母决定,后缀'b'、'w'、
'l'分别表示操作数为字节(byte,8比特)、字(word,16比特)和长字(long,
32比特);而在Intel汇编格式中,操作数的字长是用"byteptr"和"word
ptr"等前缀来表示的。例如:
AT&T格式Intel格式
movbval,%almoval,byteptrval
5.在AT&T汇编格式中,绝对转移和调用指令(jump/call)的操作数前要加上'*'作为
前缀,而在Intel格式中则不需要。
6.远程转移指令和远程子调用指令的操作码,在AT&T汇编格式中为"ljump"和
"lcall",而在Intel汇编格式中则为"jmpfar"和"callfar",即:
AT&T格式
ljump$section,$offset
lcall$section,$offset
Intel格式
jmpfarsection:offset
callfarsection:offset
与之相应的远程返回指令则为:
AT&T格式Intel格式
lret$stack_adjustretfarstack_adjust
7.在AT&T汇编格式中,内存操作数的寻址方式是
section:disp(base,index,scale)
而在Intel汇编格式中,内存操作数的寻址方式为:
section:[base+index*scale+disp]
由于Linux工作在保护模式下,用的是32位线性地址,所以在计算地址时不用考
虑段基址和偏移量,而是采用如下的地址计算方法:
disp+base+index*scale
下面是一些内存操作数的例子:
AT&T格式
movl-4(%ebp),%eax
movlarray(,%eax,4),
%eax
movwarray(%ebx,%eax,
4),%cx
movb$4,%fs:(%eax)
三、HelloWorld!
Intel格式
moveax,[ebp-4]
moveax,[eax*4+array]
movcx,[ebx+4*eax+
array]
movfs:eax,4
真不知道打破这个传统会带来什么样的后果,但既然所有程序设计语言的第一个例子都是在
屏幕上打印一个字符串"HelloWorld!",那我们也以这种方式来开始介绍Linux下的汇编
语言程序设计。
在Linux操作系统中,你有很多办法可以实现在屏幕上显示一个字符串,但最简洁的方式
是使用Linux内核提供的系统调用。使用这种方法最大的好处是可以直接和操作系统的内
核进行通讯,不需要链接诸如libc这样的函数库,也不需要使用ELF解释器,因而代码
尺寸小且执行速度快。
Linux是一个运行在保护模式下的32位操作系统,采用flatmemory模式,目前最常用
到的是ELF格式的二进制代码。一个ELF格式的可执行程序通常划分为如下几个部
分:.text、.data和.bss,其中.text是只读的代码区,.data是可读可写的数据区,
而.bss则是可读可写且没有初始化的数据区。代码区和数据区在ELF中统称为
section,根据实际需要你可以使用其它标准的section,也可以添加自定义section,但
一个ELF可执行程序至少应该有一个.text部分。下面给出我们的第一个汇编程序,用的
是AT&T汇编语言格式:
例&T格式
#hello.s
.data#数据段声明
msg:.string"Hello,world!n"#要输出的字符串
len=.-msg
.text
.global_start
_start:
#字串长度
#代码段声明
#指定入口函数
#在屏幕上显示一个字符串
movl$len,%edx#参数三:字符串长度
movl$msg,%ecx#参数二:要显示的字符串
movl$1,%ebx
movl$4,%eax
int$0x80
#参数一:文件描述符(stdout)
#系统调用号(sys_write)
#调用内核功能
#退出程序
movl$0,%ebx
movl$1,%eax
int$0x80
#参数一:退出代码
#系统调用号(sys_exit)
#调用内核功能
初次接触到AT&T格式的汇编代码时,很多程序员都认为太晦涩难懂了,没有关系,在
Linux平台上你同样可以使用Intel格式来编写汇编程序:
例格式
;
;数据段声明
;要输出的字符串
;字串长度
;代码段声明
;指定入口函数
;在屏幕上显示一个字符串
;参数三:字符串长度
;参数二:要显示的字符串
;参数一:文件描述符(stdout)
;系统调用号(sys_write)
;调用内核功能
msgdb"Hello,world!",0xA
lenequ$-msg
global_start
_start:
movedx,len
movecx,msg
movebx,1
moveax,4
int0x80
;退出程序
movebx,0
moveax,1
int0x80
;参数一:退出代码
;系统调用号(sys_exit)
;调用内核功能
上面两个汇编程序采用的语法虽然完全不同,但功能却都是调用Linux内核提供的
sys_write来显示一个字符串,然后再调用sys_exit退出程序。在Linux内核源文件
include/asm-i386/unistd.h中,可以找到所有系统调用的定义。
四、Linux汇编工具
Linux平台下的汇编工具虽然种类很多,但同DOS/Windows一样,最基本的仍然是汇编
器、连接器和调试器。
1.汇编器
汇编器(assembler)的作用是将用汇编语言编写的源程序转换成二进制形式的目标代码。
Linux平台的标准汇编器是GAS,它是GCC所依赖的后台汇编工具,通常包含在binutils
软件包中。GAS使用标准的AT&T汇编语法,可以用来汇编用AT&T格式编写的程序:
[xiaowp@garycode]$.s
Linux平台上另一个经常用到的汇编器是NASM,它提供了很好的宏指令功能,并能够支持
相当多的目标代码格式,包括bin、、coff、elf、rdf等。NASM采用的是人工编写
的语法分析器,因而执行速度要比GAS快很多,更重要的是它使用的是Intel汇编语法,
可以用来编译用Intel语法格式编写的汇编程序:
[xiaowp@garycode]$
2.链接器
由汇编器产生的目标代码是不能直接在计算机上运行的,它必须经过链接器的处理才能生成
可执行代码。链接器通常用来将多个目标代码连接成一个可执行代码,这样可以先将整个
程序分成几个模块来单独开发,然后才将它们组合(链接)成一个应用程序。Linux使用ld
作为标准的链接程序,它同样也包含在binutils软件包中。汇编程序在成功通过GAS或
NASM的编译并生成目标代码后,就可以使用ld将其链接成可执行程序了:
[xiaowp@garycode]$ld-s-ohellohello.o
3.调试器
有人说程序不是编出来而是调出来的,足见调试在软件开发中的重要作用,在用汇编语言编
写程序时尤其如此。Linux下调试汇编代码既可以用GDB、DDD这类通用的调试器,也可以
使用专门用来调试汇编代码的ALD(AssemblyLanguageDebugger)。
从调试的角度来看,使用GAS的好处是可以在生成的目标代码中包含符号表(symbol
table),这样就可以使用GDB和DDD来进行源码级的调试了。要在生成的可执行程序中包
含符号表,可以采用下面的方式进行编译和链接:
[xiaowp@garycode]$.s
[xiaowp@garycode]$ld-ohellohello.o
执行as命令时带上参数--gstabs可以告诉汇编器在生成的目标代码中加上符号表,同时
需要注意的是,在用ld命令进行链接时不要加上-s参数,否则目标代码中的符号表在链
接时将被删去。
在GDB和DDD中调试汇编代码和调试C语言代码是一样的,你可以通过设置断点来中断
程序的运行,查看变量和寄存器的当前值,并可以对代码进行单步跟踪。图1是在DDD中
调试汇编代码时的情景:
图1用DDD中调试汇编程序
汇编程序员通常面对的都是一些比较苛刻的软硬件环境,短小精悍的ALD可能更能符合实际
的需要,因此下面主要介绍一下如何用ALD来调试汇编程序。首先在命令行方式下执行ald
命令来启动调试器,该命令的参数是将要被调试的可执行程序:
[xiaowp@garydoc]$aldhello
AssemblyLanguageDebugger0.1.3
Copyright(C)2000-2002PatrickAlken
hello:ELFIntel80386(32bit),LSB,Executable,Version1(current)
(15symbolsloaded)
ald>
当ALD的提示符出现之后,用disassemble命令对代码段进行反汇编:
ald>
(0x08048074-0x08048096)
08048074BA0F000000
08048079B998900408
0804807EBB01000000
08048083B804000000
08048088CD80
0804808ABB00000000
0804808FB801000000
08048094CD80
movedx,0xf
movecx,0x8049098
movebx,0x1
moveax,0x4
int0x80
movebx,0x0
moveax,0x1
int0x80
上述输出信息的第一列是指令对应的地址码,利用它可以设置在程序执行时的断点:
ald>break0x08048088
Breakpoint1setfor0x08048088
断点设置好后,使用run命令开始执行程序。ALD在遇到断点时将自动暂停程序的运行,
同时会显示所有寄存器的当前值:
ald>run
Startingprogram:hello
Breakpoint1encounteredat0x08048088
eax=0x00000004ebx=0x00000001ecx=0x08049098edx=0x0000000F
esp=0xBFFFF6C0ebp=0x00000000esi=0x00000000edi=0x00000000
ds
ss
=0x0000002Bes
=0x0000002Bcs
=0x0000002Bfs=0x00000000gs=0x00000000
=0x00000023eip=0x08048088eflags=0x00000246
Flags:PFZFIF
08048088CD80int0x80
如果需要对汇编代码进行单步调试,可以使用next命令:
ald>next
Hello,world!
eax=0x0000000Febx=0x00000000ecx=0x08049098edx=0x0000000F
esp=0xBFFFF6C0ebp=0x00000000esi=0x00000000edi=0x00000000
ds
ss
=0x0000002Bes
=0x0000002Bcs
=0x0000002Bfs=0x00000000gs=0x00000000
=0x00000023eip=0x0804808Feflags=0x00000346
Flags:PFZFTFIF
0804808FB801000000moveax,0x1
若想获得ALD支持的所有调试命令的详细列表,可以使用help命令:
ald>help
Commandsmaybeabbreviated.
Ifablankcommandisentered,thelastcommandisrepeated.
Type`help
Generalcommands
attach
enter
next
step
clear
examine
quit
unload
continue
file
register
window
detach
help
run
write
disassemble
load
set
Breakpointrelatedcommands
break
lbreak
五、系统调用
即便是最简单的汇编程序,也难免要用到诸如输入、输出以及退出等操作,而要进行这些操
作则需要调用操作系统所提供的服务,也就是系统调用。除非你的程序只完成加减乘除等
数学运算,否则将很难避免使用系统调用,事实上除了系统调用不同之外,各种操作系统的
汇编编程往往都是很类似的。
在Linux平台下有两种方式来使用系统调用:利用封装后的C库(libc)或者通过汇编直
接调用。其中通过汇编语言来直接调用系统调用,是最高效地使用Linux内核服务的方
法,因为最终生成的程序不需要与任何库进行链接,而是直接和内核通信。
和DOS一样,Linux下的系统调用也是通过中断(int0x80)来实现的。在执行int80
指令时,寄存器eax中存放的是系统调用的功能号,而传给系统调用的参数则必须按顺序
放到寄存器ebx,ecx,edx,esi,edi中,当系统调用完成之后,返回值可以在寄存器
eax中获得。
所有的系统调用功能号都可以在文件/usr/include/bits/syscall.h中找到,为了便于使
用,它们是用SYS_
用到的write函数是如下定义的:
ssize_twrite(intfd,constvoid*buf,size_tcount);
该函数的功能最终是通过SYS_write这一系统调用来实现的。根据上面的约定,参数fb、
buf和count分别存在寄存器ebx、ecx和edx中,而系统调用号SYS_write则放在寄
存器eax中,当int0x80指令执行完毕后,返回值可以从寄存器eax中获得。
或许你已经发现,在进行系统调用时至多只有5个寄存器能够用来保存参数,难道所有系
统调用的参数个数都不超过5吗?当然不是,例如mmap函数就有6个参数,这些参数最
后都需要传递给系统调用SYS_mmap:
delete
tbreak
disableenableignore
void*mmap(void*start,size_tlength,intprot,intflags,intfd,off_t
offset);
当一个系统调用所需的参数个数大于5时,执行int0x80指令时仍需将系统调用功能号
保存在寄存器eax中,所不同的只是全部参数应该依次放在一块连续的内存区域里,同时
在寄存器ebx中保存指向该内存区域的指针。系统调用完成之后,返回值仍将保存在寄存
器eax中。
由于只是需要一块连续的内存区域来保存系统调用的参数,因此完全可以像普通的函数调用
一样使用栈(stack)来传递系统调用所需的参数。但要注意一点,Linux采用的是C语言
的调用模式,这就意味着所有参数必须以相反的顺序进栈,即最后一个参数先入栈,而第一
个参数则最后入栈。如果采用栈来传递系统调用所需的参数,在执行int0x80指令时还应
该将栈指针的当前值复制到寄存器ebx中。
六、命令行参数
在Linux操作系统中,当一个可执行程序通过命令行启动时,其所需的参数将被保存到栈
中:首先是argc,然后是指向各个命令行参数的指针数组argv,最后是指向环境变量的指
针数据envp。在编写汇编语言程序时,很多时候需要对这些参数进行处理,下面的代码示
范了如何在汇编代码中进行命令行参数的处理:
例3.处理命令行参数
#args.s
.text
.globl_start
_start:
popl%ecx
vnext:
popl%ecx#argv
test%ecx,%ecx
jzexit
movl%ecx,%ebx
xorl%edx,%edx
strlen:
movb(%ebx),%al
inc%edx
inc%ebx
test%al,%al
jnzstrlen
movb$10,-1(%ebx)
movl$4,%eax
movl$1,%ebx
int$0x80
jmpvnext
exit:
#空指针表明结束
#argc
#系统调用号(sys_write)
#文件描述符(stdout)
movl$1,%eax
xorl%ebx,%ebx
int$0x80
ret
七、GCC内联汇编
#系统调用号(sys_exit)
#退出代码
用汇编编写的程序虽然运行速度快,但开发速度非常慢,效率也很低。如果只是想对关键代
码段进行优化,或许更好的办法是将汇编指令嵌入到C语言程序中,从而充分利用高级语
言和汇编语言各自的特点。但一般来讲,在C代码中嵌入汇编语句要比"纯粹"的汇编语言
代码复杂得多,因为需要解决如何分配寄存器,以及如何与C代码中的变量相结合等问题。
GCC提供了很好的内联汇编支持,最基本的格式是:
__asm__("asmstatements");
例如:
__asm__("nop");
如果需要同时执行多条汇编语句,则应该用"nt"将各个语句分隔开,例如:
__asm__("pushl%%eaxnt"
"movl$0,%%eaxnt"
"popl%eax");
通常嵌入到C代码中的汇编语句很难做到与其它部分没有任何关系,因此更多时候需要用
到完整的内联汇编格式:
__asm__("asmstatements":outputs:inputs:registers-modified);
插入到C代码中的汇编语句是以":"分隔的四个部分,其中第一部分就是汇编代码本身,通
常称为指令部,其格式和在汇编语言中使用的格式基本相同。指令部分是必须的,而其它部
分则可以根据实际情况而省略。
在将汇编语句嵌入到C代码中时,操作数如何与C代码中的变量相结合是个很大的问题。
GCC采用如下方法来解决这个问题:程序员提供具体的指令,而对寄存器的使用则只需给出
"样板"和约束条件就可以了,具体如何将寄存器与变量结合起来完全由GCC和GAS来负责。
在GCC内联汇编语句的指令部中,加上前缀'%'的数字(如%0,%1)表示的就是需要使用寄存
器的"样板"操作数。指令部中使用了几个样板操作数,就表明有几个变量需要与寄存器相
结合,这样GCC和GAS在编译和汇编时会根据后面给定的约束条件进行恰当的处理。由于样
板操作数也使用'%'作为前缀,因此在涉及到具体的寄存器时,寄存器名前面应该加上两个
'%',以免产生混淆。
紧跟在指令部后面的是输出部,是规定输出变量如何与样板操作数进行结合的条件,每个条
件称为一个"约束",必要时可以包含多个约束,相互之间用逗号分隔开就可以了。每个输
出约束都以'='号开始,然后紧跟一个对操作数类型进行说明的字后,最后是如何与变量相
结合的约束。凡是与输出部中说明的操作数相结合的寄存器或操作数本身,在执行完嵌入
的汇编代码后均不保留执行之前的内容,这是GCC在调度寄存器时所使用的依据。
输出部后面是输入部,输入约束的格式和输出约束相似,但不带'='号。如果一个输入约束
要求使用寄存器,则GCC在预处理时就会为之分配一个寄存器,并插入必要的指令将操作
数装入该寄存器。与输入部中说明的操作数结合的寄存器或操作数本身,在执行完嵌入的汇
编代码后也不保留执行之前的内容。
有时在进行某些操作时,除了要用到进行数据输入和输出的寄存器外,还要使用多个寄存器
来保存中间计算结果,这样就难免会破坏原有寄存器的内容。在GCC内联汇编格式中的最后
一个部分中,可以对将产生副作用的寄存器进行说明,以便GCC能够采用相应的措施。
下面是一个内联汇编的简单例子:
例4.内联汇编
/*inline.c*/
intmain()
{
inta=10,b=0;
__asm____volatile__("movl%1,%%eax;nr"
"movl%%eax,%0;"
:"=r"(b)
:"r"(a)
:"%eax");
printf("Result:%d,%dn",a,b);
}
/*输出*/
/*输入*/
/*不受影响的寄存器*/
上面的程序完成将变量a的值赋予变量b,有几点需要说明:
变量b是输出操作数,通过%0来引用,而变量a是输入操作数,通过%1来引用。
输入操作数和输出操作数都使用r进行约束,表示将变量a和变量b存储在寄存器
中。输入约束和输出约束的不同点在于输出约束多一个约束修饰符'='。
在内联汇编语句中使用寄存器eax时,寄存器名前应该加两个'%',即%%eax。内联汇
编中使用%0、%1等来标识变量,任何只带一个'%'的标识符都看成是操作数,而不是
寄存器。
内联汇编语句的最后一个部分告诉GCC它将改变寄存器eax中的值,GCC在处理时不
应使用该寄存器来存储任何其它的值。
由于变量b被指定成输出操作数,当内联汇编语句执行完毕后,它所保存的值将被更
新。
在内联汇编中用到的操作数从输出部的第一个约束开始编号,序号从0开始,每个约束记数
一次,指令部要引用这些操作数时,只需在序号前加上'%'作为前缀就可以了。需要注意的
是,内联汇编语句的指令部在引用一个操作数时总是将其作为32位的长字使用,但实际情
况可能需要的是字或字节,因此应该在约束中指明正确的限定符:
限定符
"m"、"v"、"o"
"r"
"q"
"i"、"h"
"E"和"F"
"g"
"a"、"b"、"c"、"d"
"S"和"D"
"I"
八、小结
内存单元
任何寄存器
意义
寄存器eax、ebx、ecx、edx
之一
直接操作数
浮点数
任意
分别表示寄存器eax、ebx、
ecx和edx
寄存器esi、edi
常数(0至31)
Linux操作系统是用C语言编写的,汇编只在必要的时候才被人们想到,但它却是减少代码
尺寸和优化代码性能的一种非常重要的手段,特别是在与硬件直接交互的时候,汇编可以
说是最佳的选择。Linux提供了非常优秀的工具来支持汇编程序的开发,使用GCC的内联汇
编能够充分地发挥C语言和汇编语言各自的优点。
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