Linux下的AT&T语法(即GNU as 汇编语法)入门

 

 

学习这么长时间，一直在C语言这一层面上钻研和打拼，日积月累，很多关于C的疑惑在书本和资料中都难以找到答案。程序员是追求完美的一个种群，其头 脑中哪怕是存在一点点的思维黑洞都会让其坐卧不宁。不久前在itput论坛上偶得《Computer Systems A Programmer's Perspective》（以下称CS.APP）这本经典好书，遂连夜拜读以求解惑。虽说书中没有能正面的回答我的一些疑惑，但是它却为我指明了一条通向 “无惑”之路 -- 这就是打开汇编之门。

汇编语言是一门非常接近机器语言的语言，其语句与机器指令之间的对应关系更加简单和清晰。打开汇 编之门不仅仅能解除高级语言给你带来的疑惑，它更能让你更加的理解现代计算机的运行体系，还有一点更加重要的是它给你带来的是一种自信的感觉，减少了你在 高处摇摇欲坠的恐惧，响应了侯捷老师的“勿在浮沙筑高台”的号召。现在学习汇编的目的已与以前大大不同了。正如CS.APP中所说那样“程序员学习汇编的 需求随着时间的推移也发生了变化，开始时是要求程序员能直接用汇编编写程序，现在则是要求能够阅读和理解优化编译器产生的代码”。能阅读和理解，这也恰恰 是我的需求和目标。

以前接触过汇编，主要是Microsoft MASM宏汇编，不过那时的认识高度不够加上态度不端正，错失了一个很好的学习机会。现在绝大部分时间是使用GCC在Unix系列平台上工作，选择汇编语 言当然是GNU汇编了，恰好CS.APP中使用的也是GNU的汇编语法。由于学习汇编的主要目的还是“解惑”，所以形式上多是以C代码和汇编代码的比较。

1、汇编让你看到更多
随 着你使用的语言的层次的提高，你眼中的计算机将会越来越模糊，你的关注点也越来越远离语言本身而靠近另一端“问题域”，比如通过JAVA，你更多看到的是 其虚拟机，而看不到真实的计算机；通过C，你看到的也仅仅是内存一层；到了汇编语言，你就可以深入到寄存器一层自由发挥了。汇编程序员眼里的“独特风景” 包括：
a) “程序计数器(%eip)” -- 一个特殊寄存器，其中永远存储下一条将要执行的指令的地址；
b) 整数寄存器 -- 共8个，分别是%eax、%ebx、%ecx、%edx、%esi、%ebi、%esp和%ebp，它们可以存整数数据，可以存地址，也可以记录程序状态 等。早期每个寄存器都有其特殊的用途，现在由于像linux这样的平台多采用“平面寻址[1]”，寄存器的特殊性已经不那么明显了。
c) 条件标志寄存器 -- 保存最近执行的算术指令的状态信息，用来实现控制流中的条件变化。
d) 浮点数寄存器 -- 顾名思义，用来存放浮点数。
虽说寄存器的特殊性程度已经弱化，但是实际上每个编译器在使用这些寄存器时还是遵循一定的规则的，以后再说。

2、初窥汇编
下面是一个简单的C函数：
void dummy() {
int a = 1234;
int b = a;
}
我们使用gcc加-S选项将之转换成汇编代码如下(省略部分内容)：
movl $1234, -4(%ebp)
movl -4(%ebp), %eax
movl %eax, -8(%ebp)
看 了一眼又一眼，还是看不懂，只是发现些熟悉的内容，因为上面提过如%ebp、%eax等。这只是个引子，让我们感性的认识一下汇编的“容貌”。我们一点点 地来看。咋看一眼汇编代码长得似乎很相似，没错，汇编代码就是一条一条的“指令+操作数”的语句的集合。汇编指令是固定的，每条指令都有其固定的用途，而 操作数表示则有多种类型。

1) 操作数表示
大部分汇编指令都有一个或多个操作数，包括指令操作中的源和目的。一条标准的指令格式大 致是这样的：“指令 + 源操作数 + 目的操作数”，其中源操作数可以是立即数、从寄存器中读出的数或从内存中读出的数；而目的操作数则可以是寄存器或内存。按这么一分类，操作数就大致有三 种：
a) 立即数表示法 -- 如“movl $1234, -4(%ebp)”中的“$1234”，就是一个立即数作为操作数，按照GNU汇编语法，立即数表示为“$+整数”。立即数常用来表示代码中的一些常数， 如上例中的“$1234”。注意一点的是立即数不能作为目的操作数。
b) 寄存器表示法 -- 这种比较简单，它就是表示寄存器之内容。如上面的“movl -4(%ebp), %eax”中的%eax就是使用寄存器表示法作源操作数，而“movl %eax, -8(%ebp)”中的%eax则是使用寄存器表示法作目的操作数。
c) 内存引用表示法 -- 计算出的该操作数的值表示的是相应的内存地址。汇编指令根据这个内存地址访问相应的内存位置。如上例“movl -4(%ebp), %eax”中的“-4(%ebp)”,其表示的内存地址为(%ebp寄存器中的内容-4)得到的值。

2) 数据传送指令
汇编语言中最最常用的指令 -- 数据传送指令，也是我们接触的第一种类别的汇编指令。其指令的格式为：“mov 源操作数, 目的操作数”。
mov 系列支持从最小一个字节到最大双字的访问与传送。其中movb用来传送一字节信息，movw用来传送二字节，即一个字的信息，movl用来传送双字信息。 这些不详说了。除此以外mov系列还提供两个带位扩展的指令movsbl和movzbl

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汇编语言作为一种高效的，而且紧密结合硬件平台的编程语言，在操作系统，嵌入式开发等领域都有着十分重要的作用。正因为汇编依赖于硬件结构（CPU指令码），因此不同体系结构上的汇编语言也大相径庭。本文简单介绍了Linux下的AT&T语法(即GNU as 汇编语法)，以及在Linux下汇编的基本方法。

AT&T语法起源于AT&T贝尔实验室，是在当时用于实现Unix系统的处理器操作码语法之上而形成的，AT&T语法和Intel语法主要区别如下：
AT&T使用$表示立即数，Intel不用，因此表示十进制2时，AT&T为$2，而Intel就是2
AT&T在寄存器前加%，比如eax寄存器表示为%eax
AT&T 处理操作数的顺序和Intel相反，比如，movl %eax, %ebx是将eax中的值传递给ebx，而Intel是这样的mov ebx, eax
AT&T在助记符的后面加上一个单独字符表示操作中数据的长度，比如movl $foo, %eax等同于Intel的mov eax, word ptr foo
长跳转和调用的格式不同，AT&T为ljmp $section, $offset，而Intel为jmp section:offset
主要的区别就是这些，其他的细节还有很多，下面给出一个具体的例子来说明

#cpuid.s Sample program

.section .data

output:
.ascii "The processor Vendor ID is 'xxxxxxxxxxxx'\n"

.section .text
.globl _start

_start:

movl $0, %eax

cpuid

movl $output, %edi

movl %ebx, 28(%edi)

movl %edx, 32(%edi)

movl %ecx, 36(%edi)

movl $4, %eax

movl $1, %ebx

movl $output, %ecx

movl $42, %edx

int $0x80

movl $1, %eax

movl $0, %ebx

int $0x80


这个程序的作用是查询CPU的厂商ID，其中：

,ascii定义字符串（和Intel格式完全不同）.section是声明段的语句，.data和.text是段名，分别为数据段和代码段， _start是gas（GNU汇编器）的默认入口标签，表示程序从这里开始执行。.globl将_start声明成了外部程序访问的标签。cpuid为指令请求CPU的指定信息，该指令用eax作为输入，ebx,edx,ecx作为输出，这里将0作为cpuid的输入指令，请求返回CPU的厂商ID字符串。返回的结果，一个12字节的字符串，分别存储在三个寄存器中，其中ebx存放低4位，edx中间4位，ecx高4位（注意顺序！）。接下来定义一个指针edi，edi指向output的开始地址，然后接着的3条语句将output里的x替换为厂商信息。28（%edi）中的28表示偏移量，即整个地址为%edi里的地址加上28个字节，这个地址正好是output里第一个x的地址。再接下来就是打印结果了，这里用到了Linux的一个系统调用（int 0x80），该系统调用的参数分别为：eax 系统调用号，ebx 要写入的文件描述符，ecx 字符串首地址，edx 字符串长度，程序里这些个参数的值分别为4，1（标准输出），output的地址和42。最后再次调用1号系统调用-退出函数，返回shell，这次 ebx中的值是返回给shell的退出代码，0表示无异常

然后汇编连接运行程序：
[root@zieckey-laptop src]# as -o cpuid.o cpuid.s
[root@zieckey-laptop src]# ld cpuid.o -o cpuid
[root@zieckey-laptop src]# ./cpuid
The processor Vendor ID is 'GenuineIntel'
[root@zieckey-laptop src]#

本人的电脑是Pentium M的CPU所以返回的结果是GenuineIntel。

几点说明：

1）Linux的标准汇编环境为as，ld，gdb,gprof,objdump等GNU开发调试工具，除了gdb外，其他全部随binutils包发布。其中as使用的是AT&T语法。在Linux下也可以使用Nasm来进行Intel格式的汇编程序编写

2）Linux下汇编的系统调用为int 0x80，和DOS下的int 21h大同小异，只不过传递参数不同

3）段声明语句.section不需要像Intel格式那样在段结尾的时候加上段结束标志（SEGMENT/ENDS），下一个段的开始自动标志着上个段的结束

4）简单程序的入口标签不是必须要定义的，ld会自己判断入口，但是会给出警告

===========================================例子2

例 2. 求一组数的最大值的汇编程序

#PURPOSE: This program finds the maximum number of a # set of data items. # #VARIABLES: The registers have the following uses: # # %edi - Holds the index of the data item being examined # %ebx - Largest data item found # %eax - Current data item # # The following memory locations are used: # # data_items - contains the item data. A 0 is used # to terminate the data # .section .data data_items: #These are the data items .long 3,67,34,222,45,75,54,34,44,33,22,11,66,0 .section .text .globl _start _start: movl $0, %edi # move 0 into the index register movl data_items(,%edi,4), %eax # load the first byte of data movl %eax, %ebx # since this is the first item, %eax is # the biggest start_loop: # start loop cmpl $0, %eax # check to see if we've hit the end je loop_exit incl %edi # load next value movl data_items(,%edi,4), %eax cmpl %ebx, %eax # compare values jle start_loop # jump to loop beginning if the new # one isn't bigger movl %eax, %ebx # move the value as the largest jmp start_loop # jump to loop beginning loop_exit: # %ebx is the status code for the exit system call # and it already has the maximum number movl $1, %eax #1 is the exit() syscall int $0x80

汇编、链接、执行：

$ as max.s -o max.o $ ld max.o -o max $ ./max $ echo $?

这个程序在一组数中找到一个最大的数，并把它作为程序的退出状态。这组数在.data段给出：

data_items: .long 3,67,34,222,45,75,54,34,44,33,22,11,66,0

.long指示声明一组数，每个数占32位，相当于C语言中的数组。这个数组开头有一个标号data_items，汇编器会把数组的首地址作为data_items符号所代表的地址，data_items类似于C语言中的数组名。data_items这个标号没有用.globl声明，因为它只在这个汇编程序内部使用，链接器不需要知道这个名字的存在。除了.long之外，常用的数据声明还有：

• .byte，也是声明一组数，每个数占8位

• .ascii，例如.ascii "Hello world"，声明了11个数，取值为相应字符的ASCII码。注意，和C语言不同，这样声明的字符串末尾是没有'\0'字符的，如果需要以'\0'结尾可以声明为.ascii "Hello world\0"。

data_items数组的最后一个数是0，我们在一个循环中依次比较每个数，碰到0的时候让循环终止。在这个循环中：

• edi寄存器保存数组中的当前位置，每次比较完一个数就把edi的值加1，指向数组中的下一个数。

• ebx寄存器保存到目前为止找到的最大值，如果发现有更大的数就更新ebx的值。

• eax寄存器保存当前要比较的数，每次更新edi之后，就把下一个数读到eax中。

_start: movl $0, %edi

初始化edi，指向数组的第0个元素。

movl data_items(,%edi,4), %eax

这条指令把数组的第0个元素传送到eax寄存器中。data_items是数组的首地址，edi的值是数组的下标，4表示数组的每个元素占4字节，那么数组中第edi个元素的地址应该是data_items + edi * 4，从这个地址读数据，写成指令就是上面那样，这种地址的表示方式在下一节还会详细解释。

movl %eax, %ebx

ebx的初始值也是数组的第0个元素。下面我们进入一个循环，在循环的开头用标号start_loop表示，循环的末尾之后用标号loop_exit表示。

start_loop: cmpl $0, %eax je loop_exit

比较eax的值是不是0，如果是0就说明到达数组末尾了，就要跳出循环。cmpl指令将两个操作数相减，但计算结果并不保存，只是根据计算结果改变eflags寄存器中的标志位。如果两个操作数相等，则计算结果为0，eflags中的ZF位置1。je是一个条件跳转指令，它检查eflags中的ZF位，ZF位为1则发生跳转，ZF位为0则不跳转，继续执行下一条指令。可见条件跳转指令和比较指令是配合使用的，前者改变标志位，后者根据标志位做判断，如果参与比较的两数相等则跳转，je的e就表示equal。

incl %edi movl data_items(,%edi,4), %eax

将edi的值加1，把数组中的下一个数传送到eax寄存器中。

cmpl %ebx, %eax jle start_loop

把当前数组元素eax和目前为止找到的最大值ebx做比较，如果前者小于等于后者，则最大值没有变，跳转到循环开头比较下一个数，否则继续执行下一条指令。jle也是一个条件跳转指令，le表示less than or equal。

movl %eax, %ebx jmp start_loop

更新了最大值ebx然后跳转到循环开头比较下一个数。jmp是一个无条件跳转指令，什么条件也不判断，直接跳转。loop_exit标号后面的指令用exit系统调用退出程序。