汇编语言笔记（GAS, x86-64）

贡献者： addis

　　 参考一些 x86-64 的例子，Tutorials Point（提供一些 cpu 原理，但用的是 NASM 不是 GAS）。

1. 基础

　　 一个例子：

.global _start

        .text
_start:
        # write(1, message, 13)
        mov     $1, %rax            # system call 1 is write
        mov     $1, %rdi            # file handle 1 is stdout
        mov     $message, %rsi      # address of string to output
        mov     $13, %rdx           # number of bytes
        syscall                     # invoke operating system to do the write

        # exit(0)
        mov     $60, %rax           # system call 60 is exit
        xor     %rdi, %rdi          # we want return code 0
        syscall                     # invoke operating system to exit
message:
        .ascii  "Hello, world\n"

　　 编译：gcc -c hello.s && ld hello.o && ./a.out，运行：./hello.x

• assembler 是汇编语言的编译器
• 汇编语言的语法依赖于 CPU 架构和具体的 assembler，完全不 portable。
• gcc 使用的 assembler 是 GNU Assembler (GAS)
• 注释用 #
• 缩进没有意义
• 寄存器相当于临时变量。
• mov $4, %eax 把 register eax 赋值为 4。% 表示 register，$ 表示 immediate value，可以用十进制 4 也可以 16 进制 0x4。
• mov (%rdi), %rax 可以把 rdi 作为指针 dereference，然后赋值给 rax。
• xor %寄存器, %寄存器 可以把 寄存器 的值设为 0。xor 是逐 bit 异或，结果存到第一个变量。也可以用 mov $0, %寄存器，但是这样会读取内存，减慢速度。
• $ 和 % 往往是可省略的
• 在 32 位系统上，mov 等效于 movl，64 位系统上等效于 movq。
• .section .text 用于声明一个 section，text 说明这是执行程序。.section 可以省略。
• syscall 一般代替 int 0x80 进行 systemcall，后者已经过时了。
• 标签: 是一个 label，用于指定代码的某个位置，用于跳转。也可以定义一个函数。

64 位寄存器

• 提供 16 个通用寄存器（general-purpose registers）, 每个都是 16 bit。
• rax, rbx, rcx, rdx: arithmetic and data manipulation
• rsi, rdi, rbp, rsp: storing data and addressing memory
• r8-r15: additional arithmetic and data manipulation
• r（register），x（extended）
• rsi（source index register），rdi（destination index register），rbp（base pointer register），rsp（stack pointer register）

32 位寄存器

• 开头把 r 换成 e（extended）表示 32 位
• eax: Accumulator
• ebx: Base
• ecx: Counter
• edx: Data
• esi: Source index
• edi: Destination index
• ebp: Base pointer
• esp: Stack pointer

函数调用

• 函数调用时，寄存器用于储存自变量。
• 整数或指针参数顺序：rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9
• 浮点参数顺序：xmm0, xmm1, ..., xmm7

system call 调用

• 方法和函数类似。
• 每个 system call 有一个编号，把编号赋给 rax，再按普通函数的变量顺序给参数赋值。
• 最后用 syscall 命令。
• 一些常用的 system call 编号
• 1: sys_write - write to a file descriptor
• 2: sys_open - open a file
• 3: sys_close - close a file descriptor
• 60: sys_exit - exit the process
• 231: sys_exit_group - exit all threads in a process

算数命令

• inc %xxx 把寄存器的值加 1。dec %xxx 寄存器值减 1。
• push %xxx 是把寄存器的值 push 到 stack 顶部。pop %xxx 把 stack 顶部的值取回到寄存器。
• jnz 标签 是条件跳转。当 ecx 为 0 时就不跳。
• add %xxx, %yyy 把两个值相加，存到第一个。
• sub %xxx, %yyy 同理，相减。
• and %xxx, %yyy 逐 bit 相与。

gdb 调试

• 编译时加上选项 -g，就可以用 gdb ./hello.x 来调试程序。
• b main 可以在 main 的第一行设置 break point，r 跑程序。
• p $xxx 可以查看 register 的值。注意不是 %
• 在用 gdb 调试 C/C++ 语言时，disassemble 命令可以看到当前的汇编码。
• 要直接把 C 编译成汇编码，用 gcc -S main.c，但是生成汇编码的可读性比较差（比手写的复杂）。

2. Fibonacci 数列

# A 64-bit Linux application that writes the first 90 Fibonacci numbers.
# gcc -no-pie -g fib.s -o fib.x && ./fib.x

.global main
.text

main:
        push    %rbx                    # we have to save this since we use it
        mov     $10, %ecx               # ecx will countdown to 0
        xor     %rax, %rax              # rax will hold the current number
        xor     %rbx, %rbx              # rbx will hold the next number
        inc     %rbx                    # rbx is originally 1

print:
        # We need to call printf, but we are using  printf
        # may destroy eax and ecx so we will save these before the call and
        # restore them afterwards.
        push    %rax                    # caller-save register
        push    %rcx                    # caller-save register

        mov     $format, %rdi           # set 1st parameter (format)
        mov     %rax, %rsi              # set 2nd parameter (current_number)
        xor     %rax, %rax              # because printf is varargs

        # Stack is already aligned because we pushed three 8 byte registers
        call    printf                  # printf(format, current_number)

        pop     %rcx                    # restore caller-save register
        pop     %rax                    # restore caller-save register

        mov     %rax, %rdx              # save the current number
        mov     %rbx, %rax              # next number is now current
        add     %rdx, %rbx              # get the new next number
        dec     %ecx                    # count down
        jnz     print                   # if not done counting, do some more

        pop     %rbx                    # restore rbx before returning
        ret

format:
        .asciz  "%20ld\n" # null terminated string

• gdb 中，x/2 $rsp 可以查看 stack 顶部的值。在程序一开始记录下该值可以知道 stack 第一个元素之前的位置。2 代表打印 2 个 hex，每个 hex 4 字节（32bit）。x 是 examine。
• call-save registers：如果函数内部使用了这些寄存器，必须要把它们还原回原先的值：rbx, rbp, r12-r15
• call printf 调用标准库中的 printf 函数，函数的参数由以下 register 按照顺序携带