android汇编smlie 汇编手机

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技术博客领航者 2023-07-03 14:41:07

文章标签 android汇编smlie 操作系统 xcode c/c++ 寄存器 文章分类 Android 移动开发

0、前言

对于一个iOS App来说，它其实就是一个安装在手机中的可执行文件，这个可执行文件本质上是二进制文件，它由iPhone手机上的CPU执行。如果我们需要对操作系统、App进行深入了解，以及App的逆向都需要我们熟悉汇编语言

1、汇编语言的发展和简介

1.1 机器语言

机器语言是由0、1组成的机器指令，比如：

加：0100 0000
减：0100 1000

计算机间机器指令转变为一列高低电平，以使计算机的电子器受到驱动，进行运算。

1.2 汇编语言

汇编语言使用助记符代替机器语言，也就是我们常说的汇编指令，例如

加：INC EAX 通过编译器 0100 0000
减：DEC EAX 通过编译器 0100 1000

汇编指令，是机器指令便于记忆的书写格式，它通过我们的编译器编译后转化成1010的机器指令

1.3 高级语言

高级语言是更接近人类自然语言的编程语言，例如C/C++/Objective-C/Swfit等

加：A+B 通过编译器 0100 0000
减：A-B 通过编译器 0100 1000

高级语言编写的程序通过编译器先转为汇编语言，然后在转为机器语言，最后运行在我们的设备上(由CPU执行)

小结1

由高级语言编写的代码的运行过程
汇编语言与机器语言一一对应，每一条机器指令都有与之对应的汇编指令（注意：汇编指令与CPU架构有关系，不同的CPU架构模式下汇编指令是不一样的，一般不通用，举个例子：我们的iPhone模拟器的CPU架构是x86，iPhone6是ARM64，汇编指令会有区别）
汇编语言可以通过编译得到机器语言，机器语言可以通过反汇编得到汇编语言
高级语言可以通过编译得到汇编语言 \ 机器语言，但汇编语言 \ 机器语言几乎不可能还原成高级语言

1.4、汇编语言的特点

可以直接访问、控制各种硬件设备，比如存储器、CPU等，能最大限度地发挥硬件的功能
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
目标代码简短，占用内存少，执行速度快
汇编指令是机器指令的助记符,同机器指令一一对应。每一种CPU都有自己的机器指令集\汇编指令集，所以汇编语言不具备可移植性
知识点过多，开发者需要对CPU等硬件结构有所了解，不易于编写、调试、维护
不区分大小写，比如mov和MOV是一样的

1.5 汇编语言的种类

目前讨论比较多的汇编语言有

8086汇编（8086处理器是16bit的CPU）
Win32汇编
Win64汇编
ARM汇编（嵌入式、Mac、iOS）
......

我们iPhone里面用到的是ARM汇编,但是不同的设备也有差异.因CPU的架构不同

CPU架构	iPhone设备
armv6	iPhone, iPhone2, iPhone3G, 第一代、第二代 iPod Touch
armv7	iPhone3GS, iPhone4, iPhone4S,iPad, iPad2, iPad3(The New iPad), iPad mini, iPod Touch 3G, iPod Touch4
armv7s	iPhone5, iPhone5C, iPad4(iPad with Retina Display)
arm64	iPhone5S 以后至 iPhoneX , iPad Air, iPad mini2以后

1.6 学习汇编的用途

编写驱动程序、操作系统（比如Linux内核的某些关键部分）
对性能要求极高的程序或者代码片段，可与高级语言混合使用（内联汇编）
软件安全

病毒分析与防治
逆向\加壳\脱壳\破解\外挂\免杀\加密解密\漏洞\黑客

理解整个计算机系统的最佳起点和最有效途径
为编写高效代码打下基础
弄清代码的本质

函数的本质究竟是什么?
++a + ++a + ++a 底层如何执行的?
编译器到底帮我们干了什么?
DEBUG模式和RELEASE模式有什么关键的地方被我们忽略
......

小结2

作为一个普通iOS开发者，学习汇编可以熟悉软件、程序的执行过程
了解操作系统，了解CPU/内存等硬件
iOS逆向的基础

2、CPU与内存

在汇编中,大部分指令都是和CPU与内存相关的，因此学习汇编指令之前，我们需要了解CPU与内存的知识，不然无法理解汇编指令

2.1 了解CPU

每一个CPU芯片都有许多管脚，这些管脚和总线相连，CPU通过总线跟外部器件进行交互
总线：一根根导线的集合，总线分为：地址总线， 数据总线， 控制总线
CPU对内存的操控简单示例

2.2 了解总线

地址总线

CPU是通过地址总线来指定存储器单元(要访问的内存地址)
一个CPU有N根地址线，CPU地址总线的宽度为N, 最多可以寻找2的N次方个内存单元(单位：字节)
地址总线的宽度决定了CPU的 寻址能力
举例： 8086的地址总线宽度是 20 ，所以寻址能力是 1M（ 2^10=1024, 2^20=1024*1024, 基本单位是Byte 字节）

寻址能力说明

直观举例：8086的寻址能力是1M，如果内存大小是2M，那么剩余的1M内存CPU无法使用，或者说无法访问到。

数据总线

CPU与内存或其他器件之间的数据传送通过数据总线来进行的
数据总线的宽度决定了CPU的单次数据传送量，也就是数据 传送速度
一个数据传输示例：

CPU传输数据说明

一根数据总线，传递一个bit的数据

控制总线

它的宽度决定了CPU对其他器件的 控制能力、能有多少种控制(当前对这块知道的比较少)

2.3 CPU小结练习

一个CPU 的寻址能力为8KB,那么它的地址总线的宽度为____
8080,8088,80286,80386 的地址总线宽度分别为16根,20根,24根,32根.那么他们的寻址能力分别为多少____KB, ____MB,____MB,____GB?
8080,8088,8086,80286,80386 的数据总线宽度分别为8根,8根,16根,16根,32根.那么它们一次可以传输的数据为:____B,____B,____B,____B,____B
从内存中读取1024字节的数据,8086至少要读____次,80386至少要读取____次.

1: 1024=2^10, 8KB = 1024*8 = 2^13, 所以：13
2：8080: 2^16=2^6*1024=64KB, 8088: 2^20=1024*1024=1MB, 80286: 2^24=16MB, 80386: 2^32=1024*1024*1024*4=4GB
3: 8080: 8bit=1Byte,  8088:8bit=1Byte, 8086:2B, 80286:2B, 80386:4B
4: 8086: 1024/2 = 512(至少), 80386: 1024/4=256(至少)
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2.4 了解内存

各类存储区的逻辑连接
各类存储器的逻辑连接-物理地址对应
内存分类

随机存储器RAM；随机存储器可读可写，但必须带电存储，关机后存储的内容丢失
只读存储器ROM；只能读取不能写入，关机后其中的内容不丢失

各类存储器的物理地址情况（8086）

上图中：内存地址空间的大小受CPU地址总线宽度的限制。8086的地址总线宽度为20，可以定位2^20个不同的内存单元（内存地址范围0x00000~0xFFFFF），所以8086的内存空间大小为1MB
0x00000~0x9FFFF：主存储器。可读可写
0xA0000~0xBFFFF：向显存中写入数据，这些数据会被显卡输出到显示器。可读可写
0xC0000~0xFFFFF：存储各种硬件\系统信息。只读

2.5 内存小结

CPU的地址总线的宽度，决定了电脑能够使用的内存大小
对于CPU来说，外接的内存设备其实有一个地址的范围的，对某个地址范围内进行操作，也就是对某个设备的操作。（参照内存图2）

3、进制的深入理解

3.1 进制的定义

八进制由8个符号组成: 0 1 2 3 4 5 6 7 逢八进一
十进制由10个符号组成: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9逢十进一
N进制就是由N个符号组成: 逢N进一

3.2 进制的计算

通常我们进行进制计算总以十进制为依托去考虑其他进制，需要运算的时候也总是先转换成十进制，但是，其实按照十进制的加法表和乘法表，我们可以写出其他进制的加法表和乘法表，然后按照表进行加减乘除，可以准确得出结果，而不必依赖十进制(像我们做十进制的加减乘除一样)

做个练习

八进制运算（ 根据下面的加法表和乘法表去进行 ）

2 + 3 = __ , 2 * 3 = __ ,4 + 5 = __ ,4 * 5 = __.
277 + 333 = __ , 276 * 54 = __ , 237 - 54 = __ , 234 / 4 = __ .

八进制数和加法表

0  1  2  3  4  5  6  7 
10 11 12 13 14 15 16 17
20 21 22 23 24 25 26 27
...

1+1 = 2						
1+2 = 3   2+2 = 4				
1+3 = 4   2+3 = 5   3+3 = 6
1+4 = 5   2+4 = 6   3+4 = 7   4+4 = 10  
1+5 = 6   2+5 = 7   3+5 = 10  4+5 = 11  5+5 = 12
1+6 = 7   2+6 = 10  3+6 = 11  4+6 = 12  5+6 = 13  6+6 = 14
1+7 = 10  2+7 = 11  3+7 = 12  4+7 = 13  5+7 = 14  6+7 = 15  7+7 = 16
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八进制乘法表

0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 25 26 27...

1*1 = 1						
1*2 = 2	  2*2 = 4				
1*3 = 3	  2*3 = 6	3*3 = 11	
1*4 = 4	  2*4 = 10	3*4 = 14  4*4 = 20
1*5 = 5	  2*5 = 12	3*5 = 17  4*5 = 24  5*5 = 31
1*6 = 6	  2*6 = 14	3*6 = 22  4*6 = 30  5*6 = 36  6*6 = 44
1*7 = 7	  2*7 = 16	3*7 = 25  4*7 = 34  5*7 = 43  6*7 = 52  7*7 = 61
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3.3 二进制的简写形式

二进制: 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0
三个二进制一组: 101 110 111 100
       八进制:   5   6   7   4
四个二进制一组: 1011 1011 1100
     十六进制:    b    b    c
二进制：从0 写到 1111
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 
这种二进制使用起来太麻烦，改成更简单一点的符号：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 这就是十六进制了
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3.4 自己定义进制符号

思考1 + 1 在____情况下等于 3？

如果我们这样定义十进制的10个符号组成: 0 1 3 2 8 A B E S 7 逢十进一

那么这个时候，1 + 1 = 3!就对了!

这样的目的何在

传统我们定义的十进制和自定义的十进制不一样.那么这10个符号如果我们不告诉别人这个符号表,别人是没办法拿到我们的具体数据的!用于加密!

十进制由十个符号组成,逢十进一,符号是可以自定义的!!

练习

现在有10进制数 10个符号分别是：2，9，1，7，6，5，4， 8，3 , A 逢10进1 那么： 123 + 234 = ____(1A6)

十进制:    0  1  2  3  4  5  6  7  8  9
自定义:    2  9  1  7  6  5  4  8  3  A
         92 99 91 97 96 95 94 98 93 9A
         12 19 11 17 16 15 14 18 13 1A
         72 79 71 77 76 75 74 78 73 7A
         62 69 61 67 66 65 64 68 63 6A
         52 59 51 57 56 55 54 58 53 5A
         42 49 41 47 46 45 44 48 43 4A
         82 89 81 87 86 85 84 88 83 8A
         32 39 31 37 36 35 34 38 33 3A
         922
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那么刚才通过10进制运算可以转化10进制然后查表!但是如果是其他进制.我们就不能转换,要直接学会查表

3.5 进制小结

进制可以用于数据间的计算
进制可以用于表示地址值
自定义进制可以用于数据加密

3.6 计算机中常见的数据宽度

位(Bit): 1个位就是1个二进制位.0或者1
字节(Byte): 1个字节由8个Bit组成(8位).内存中的最小单元Byte.
字(Word): 1个字由2个字节组成(16位),这2个字节分别称为高字节和低字节.
双字(Doubleword): 1个双字由两个字组成(32位)
计算机中有符号数正负判定：最高位的数值进行判定（0~7为正，8~F为负）

3.7 计算机中数据的存储

数学上的数字，是没有大小限制的，可以无限的大。但在计算机中，由于受硬件的制约，数据都是有长度限制的（我们称为数据宽度），超过最多宽度的数据会被丢弃。
数据的长度根据数据的类型判定，比如int 4字节 longlong 8字节，超出的就会被丢弃，例如

#import <UIKit/UIKit.h>
#import "AppDelegate.h"

int test(){
    int cTemp = 0x1FFFFFFFF;
    return cTemp;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    printf("%x\n",test());
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}
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xcode内存调试：Debug->Debug workFlow->view memory, 发现高位丢失了

图1：lldb调试
图2：内存调试
经过调试发现，超出数据宽度的高位数据直接被丢弃了，并不是像我们想象的存储在其他地方
补充：关于数据是如何存储的，需要看C语言知识(反码、补码。。。)

4、CPU寄存器了解

CPU内部结构

对程序员来说，CPU中最主要部件是寄存器，通过改变寄存器的内容我们可以实现对CPU的控制
不同的CPU，寄存器的个数、结构是不相同的

4.1了解一些AMR64寄存器

X0-X31

ARM64拥有有31个64位的通用寄存器 x0 到 x30,这些寄存器通常用来存放一般性的数据，有时也有特定用途

使用iPhone真机(注意，模拟器的CPU是x86，和真机的架构不一样，寄存器是不同的)运行一个简单的Demo，可以查看CPU寄存器。通用寄存器x0-x28, x29-x30被用作特殊用途了(fp, lr)

w0-w28是这些是32位的，由于64位CPU需要兼容32位CPU，所以可以只使用64位寄存器的低32位. 比如w0的值就是x0寄存器的低32位值通常，CPU会先将内存中的数据存储到通用寄存器中，然后再对通用寄存器中的数据进行运算，例如

假设内存中有块红色内存空间的值是3，现在想把它的值加1，并将结果存储到蓝色内存空间

CPU首先会将红色内存空间的值放到X0寄存器中：mov X0,红色内存空间
 然后让X0寄存器与1相加：add X0,1
 最后将值赋值给内存空间：mov 蓝色内存空间,X0
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分析下面一段汇编，体验下

```
  .text                   // 表示是代码段
  .global _A, _B          // 全局的代码段入口
  _A:                     // 入口A
      mov x27, #0xa0       // #表示立即数，mov表示写入到寄存器
      mov x28, #0x00       
      add x28, x27, #0x14
      mov x27, x28
      bl _B               // bl指令，专门用于操作pc寄存器
      mov x27, #0x0
      ret
  _B:
      add x27, x27, #0x10
      ret
  
  
  void A();
  int main(int argc, char * argv[]){
      A();        // 调用A代码段
      
      return 0;
  }
  ```
复制代码

Xcode调试截图

汇编指令内容在内存中的存储

pc寄存器（program counter）

指令指针寄存器，它指示了CPU当前要读取指令的地址
在内存或者磁盘上，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息
CPU在工作的时候把有的信息看做指令，有的信息看做数据，为同样的信息赋予了不同的意义(可以参照上面的图理解)

比如 0001 1100 0000 0000 0100 0000 1101 0010
可以当做数据 0x1C0080D2
也可以当做指令 mov x28, #0x0

CPU根据什么将内存中的信息看做指令？

CPU将pc指向的内存单元的内容看做指令
如果内存中的某段内容曾被CPU执行过，那么它所在的内存单元必然被pc指向过

bl指令

CPU从何处执行指令是由pc中的内容决定的，我们可以通过改变pc的内容来控制CPU执行目标指令
ARM64提供了一个mov指令（传送指令），可以用来修改大部分寄存器的值，但是，mov指令不能用于设置pc的值，ARM64没有提供这样的功能
ARM64提供了另外的指令来修改PC的值，这些指令统称为转移指令，最简单的是bl指令

4.2 寄存器与CPU小总结

对寄存器的理解

CPU除了有控制器、运算器还有寄存器。其中寄存器的作用就是进行数据的临时存储
CPU的运算速度是非常快的，为了性能CPU在内部开辟一小块临时存储区域，并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中，运算时就在这一小快临时存储区域内进行。我们称这一小块临时存储区域为寄存器。
对于arm64系的CPU来说，如果寄存器以x开头则表明的是一个64位的寄存器，如果以w开头则表明是一个32位的寄存器，在系统中没有提供16位和8位的寄存器供访问和使用。其中32位的寄存器是64位寄存器的低32位部分并不是独立存在的。（直观点说：对w0修改其实就是对x0的修改，只不过数据只存放在x0的低32位）

高度缓存的了解

CPU每执行一条指令前都需要从内存中将指令读取到CPU内并执行。而寄存器的运行速度相比内存读写要快很多,为了性能,CPU还集成了一个高速缓存存储区域.当程序在运行时，先将要执行的指令代码以及数据复制到高速缓存中去(由操作系统完成).CPU直接从高速缓存依次读取指令来执行.
iPhoneX上搭载的ARM处理器A11它的1级缓存的容量是64KB，2级缓存的容量8M.