CMU 15213：machine-level programming课程笔记和bomb实验

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本文详细记录了CMU 15213课程的机器级编程笔记，涵盖汇编语言、C语言、Linux汇编模式、寻址方式等内容，并深入剖析了Bomb实验的六个阶段，包括字符串匹配、整数序列计算、switch case逻辑等，强调了汇编、程序ABI和调试技巧的重要性。

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文章目录

1. 笔记

本章的主要讲了编程语法，包括：汇编和C语言。

1.1 basics

1.介绍了intel x86 processors的发展历史（AMD和ARM）；

2.指令集大的分类：cisc和risc；

3.c代码到可执行代码的过程：

c代码；
汇编代码（gcc -og -S）；
二进制文件（gcc）；
二进制文件（链接了其他的静态库）（gcc 或者 ld）；

4.Objdump（将二进制代码转换成汇编代码）；

5.gdb调试时使用disassemble命令，也可以获取汇编代码；

6.x86-64寄存器：rax、rbx、rcx、rdx、rsi、rdi、rsp、rb和 r8-r15；

rax表示是64bit；
eax表示32bit；
ax表示16bit；
ah表示高8bit；
al表示低8bit；

7.Operation：

在这里插入图片描述

8.寻址方式（三种模式）：

movq (%rcx),%rax：将rcx寄存器指向的地址数据移动到rax
movq 8(%rbp),%rdx：将[rbp]+8地址的数据移动到rdx
Mem[Reg[Rb]+S*Reg[Ri]+ D]（D只能是1、2、4和8）

假设rdx=0xf000 rcx=0x0100，则计算地址的结果如下：

在这里插入图片描述
9. 地址计算指令leaq，它主要有两个用途：

计算地址（而不会将该地址的数据存放到dest）；
计算算术表达式，形如x+k*y（k是1、2、4或者8）（和取址指令一样）（要比普通的加法和乘法快一些）

1.2 control

一般采用linux类型的汇编模式，而不是Intel模式的；它们之间差别还是很大的

1.X86-64单bit的寄存器：CF、SF、ZF、OF

cf：下图是cf的置1的情况，分别是：进位（unsigned溢出）和借位；
sf：下图是sf置1的情况，根据符号位是否为1来判断；
zf：当数据全为0时，zf置1；
of：当两个数（符号位一致）相加，得到结果的符号位同原数据的符号位不一致；

2.Comq src2,src1指令：类似于src1-src2，影响PSW；

3.Testq src2,src1指令：类似于计算src1&src2；（经常用于判断一个寄存器里面得值是否为0）

Zf set：src1&src2 == 0；
Sf set：src1&src2 < 0；

4.Set dest指令：用于判断PSW的值，当条件成立时将1写入dest；

在这里插入图片描述

下图时setl成立的示意图：

5.Movzbl：高位填充为0；

6.jx指令：
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7.c语言goto；

8.c语言条件语句：if、a?b:c（注意b和c如果是表达式都会被计算，所以会增加复杂度）；

9.循环语句：do-while、while、for；

10.Switch：编译成汇编后，会结合jump table和rdi（index）找到对应的跳转入口；

1.3 Procedures

1.ABI:机器程序级别的接口（windows linux ios都有自己的abi，大致相同，细节不同）。它包括：passing control、passing data、memory management等机制；

比如一个编译好的二进制程序，如果放在ABI修改后的机器上运行会导致程序出现无法预计的错误；

2.Stack：向低地址增长

Pushq src：修改（减少8bytes）%rsp；将src写入stack
Popq dest：将栈顶的数据放入dest；修改（增加8bytes）%rsp

3.passing control

使用stack；
执行call label语句时：将return address压入栈；跳转到label执行；
Return address：当前call label语句的下一条语句的地址；
执行ret语句时：pop出栈的return address；跳转到该处运行；

4.Passing data

参数传递：前6个参数通过寄存器：%rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8、%r9；剩余的参数通过stack传递；（浮点数参数有单独的寄存器）；
返回值：%rax

5.Stack frames：

Contents：返回地址；局部变量空间；临时空间
Management：stack分配空间（call）和释放空间的时机（return）；

在这里插入图片描述

call的时候是否压入%rbp是可选的

6.Linux stack frame

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7.Register saving conventions

“Caller Saved”：Caller saves temporary values in its frame before the call；
“Callee Saved”：Callee saves temporary values in its frame before using；Callee restores them before returning to caller；

Caller-saved registers (AKA volatile registers, or call-clobbered) are used to hold temporary quantities that need not be preserved across calls. caller如果在callee返回之后需要使用这些寄存器，则应该在callee之前保存它们。
在这里插入图片描述

Callee-saved registers (AKA non-volatile registers, or call-preserved) are used to hold long-lived values that should be preserved across calls. 说明这些寄存器在callee返回时会被恢复，所以caller可以不用保存这些寄存器，即使后面需要使用也不需要保存（因为Callee返回时会恢复）。
在这里插入图片描述

2. bomb lab

本实验主要考察了汇编、程序ABI的了解、gdb调试等基础知识。实验提供了一个二进制文件：bomb和一个c语言文件：bomb.c。

2.1 phase 1

Phase 1的函数汇编代码如下：

0000000000400ee0 <phase_1>:
  400ee0:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
  400ee4:	be 00 24 40 00       	mov    $0x402400,%esi
  400ee9:	e8 4a 04 00 00       	callq  401338 <strings_not_equal>
  400eee:	85 c0                	test   %eax,%eax
  400ef0:	74 05                	je     400ef7 <phase_1+0x17>
  400ef2:	e8 43 05 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  400ef7:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
  400efb:	c3                   	retq

很显然phase 1函数将我们的输入同bomb程序预先存储的字符串进行匹配，如果不一致的话则会引爆炸弹。

我们知道%rdi和%rsi可以用来传递参数，%rdi当前指向我们输入的字符串的地址，那么%esi就指向密钥。从汇编mov $0x402400,%esi可知，该密钥存储在0x402400内存地址上。

用gdb查看该地址存放的字符串的命令是：x/s 0x402400。得到输出结果：Border relations with Canada have never been better.

2.2 phase 2

Phase 2的汇编代码如下：

0000000000400efc <phase_2>:
  400efc:	55                   	push   %rbp
  400efd:	53                   	push   %rbx
  400efe:	48 83 ec 28          	sub    $0x28,%rsp
  400f02:	48 89 e6             	mov    %rsp,%rsi
  400f05:	e8 52 05 00 00       	callq  40145c <read_six_numbers>
  400f0a:	83 3c 24 01          	cmpl   $0x1,(%rsp)
  400f0e:	74 20                	je     400f30 <phase_2+0x34>
  400f10:	e8 25 05 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  400f15:	eb 19                	jmp    400f30 <phase_2+0x34>
  400f17:	8b 43 fc             	mov    -0x4(%rbx),%eax
  400f1a:	01 c0                	add    %eax,%eax
  400f1c:	39 03                	cmp    %eax,(%rbx)
  400f1e:	74 05                	je     400f25 <phase_2+0x29>
  400f20:	e8 15 05 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  400f25:	48 83 c3 04          	add    $0x4,%rbx
  400f29: