Windows X64汇编入门

最近断断续续接触了些64位汇编的知识，这里小结一下，一是阶段学习的回顾，二是希望对64位汇编新手有所帮助。我也是刚接触这方面知识，文中肯定有错误之处，大家多指正。
文章的标题包含了本文的四方面主要内容：
（1）Windows：本文是在windows环境下的汇编程序设计，调试环境为Windows Vista 64位版，调用的均为windows API。
（2）X64：本文讨论的是x64汇编，这里的x64表示AMD64和Intel的EM64T，而不包括IA64。至于三者间的区别，可自行搜索。
（3）汇编：顾名思义，本文讨论的编程语言是汇编，其它高级语言的64位编程均不属于讨论范畴。
（4）入门：既是入门，便不会很全。其一，文中有很多知识仅仅点到为止，更深入的学习留待日后努力。其二，便于类似我这样刚接触x64汇编的新手入门。
  本文所有代码的调试环境：Windows Vista x64，Intel Core 2 Duo。

1.  建立开发环境
1.1  编译器的选择
    对应于不同的x64汇编工具，开发环境也有所不同。最普遍的要算微软的MASM，在x64环境中，相应的编译器已经更名为ml64.exe，随Visual Studio 2005一起发布。因此，如果你是微软的忠实fans，直接安装VS2005既可。运行时，只需打开相应的64位命令行窗口（图1），便可以用ml64进行编译了。

第二个推荐的编译器是GoASM，共包含三个文件：GoASM编译器、GoLINK链接器和GoRC资源编译器，且自带了Include目录。它的最大好外是小，不用为了学习64位汇编安装几个G 的VS。因此，本文的代码就在GoASM下编译。

    第三个Yasm，因为不熟，所以不再赘述，感兴趣的朋友自行测试吧。
不同的编译器，语法会有一定差别，这在下面再说。

1.2  IDE的选择
    搜遍了Internet也没有找到支持asm64的IDE，甚至连个Editor都没有。因此，最简单的方法是自行修改EditPlus的masm语法文件，这也是我采用的方法，至少可以得到语法高亮。当然，如果你懒得动手，那就用notepad吧。
    没有IDE，每次编译时都要手动输入不少参数和选项，做个批处理就行了。

1.3  硬件与操作系统
    硬件要求就是64位的CPU。操作系统也必须是64位的，如果在64位的CPU上安装了32位的操作系统，就算编译成功也无法运行程序。

2.  寄存器的改变
    汇编是直接与寄存器打交道的语言，因此硬件对语言影响很大。先来看看x64与x32相比在硬件上多了什么，变了什么（图2）。
X64多了8个通用寄存器：R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15，当然，它们都是64位的。另外还增加了8个128位XMM寄存器，不过通常用不着。
    X32中原有的寄存器在X64中均为扩展为64位，且名称的第一个字母从E改为R。不过我们还是可以在64位程序中调用32位的寄存器，如RAX（64位）、EAX（低32）、AX（低16位）、AL（低8位）、AH（8到15位），相应的有R8、R8D、R8W和R8B。不过不要在程序中使用如AH之类的寄存器，因为在AMD的CPU上这种用法会与某些指令产生冲突。

第一个x64汇编程序
    本节，我们开始编写自己的第一个x64汇编程序。在这之前，先讲一下calling convention的改变。
3.1  API调用方式
    把Calling convention放在第一个讲，代表它的重要性。在32位汇编中，我们调用一个API时，采用的是stdcall，它有两个特点：一是所有参数入栈，通过椎栈传递；二是被调用的API负责栈指针（ESP）的恢复，我们在调用MessageBox后不用add esp,14h，因为MessageBox已经恢复过了。
而在x64汇编中，两方面都发生了变化。一是前四个参数分析通过四个寄存器传递：RCX、RDX、R8、R9，如果还有更多的参数，才通过椎栈传递。二是调用者负责椎栈空间的分配与回收。
    下面给出一段代码，功能是显示一个简单的MessageBox，注意对RSP的操作：
代码:

程序代码：

;示例代码1.asm
;语法：GoASM
DATA SECTION
text     db 'Hello x64!', 0
caption  db 'My First x64 Application', 0

CODE SECTION
START:
sub rsp,28h
xor r9d,r9d
lea r8, caption
lea rdx, text
xor rcx,rcx
call MessageBoxA
add rsp,28h
ret

这段代码是在GoASM中编译，指令部分GoASM与ML64差不多，关键是一些宏的定义有差别。比如masm中的.code，在这里就成了CODE SECTION。下面再说区别，先编译。GoASM中编译分两步：
（1）  编译：goasm /x64 1.asm
（2）  链接：golink 1.obj user32.dll
    如果一些正常，命令行中应显示图3的内容。

这段代码是在GoASM中编译，指令部分GoASM与ML64差不多，关键是一些宏的定义有差别。比如masm中的.code，在这里就成了CODE SECTION。下面再说区别，先编译。GoASM中编译分两步：
（1）  编译：goasm /x64 1.asm
（2）  链接：golink 1.obj user32.dll
    如果一些正常，命令行中应显示图3的内容。

程序代码：

;示例代码2.asm
;语法：ML64
extrn MessageBoxA: proc

.data
text     db 'Hello x64!', 0
caption  db 'My First x64 Application', 0

.code
Main proc
sub rsp,28h
xor r9d,r9d
lea r8, caption
lea rdx, text
xor rcx,rcx
call MessageBoxA
add rsp,28h
ret

Main ENDP
end

ml64 2.asm /link /subsystem:windows /entry:Main user32.lib。如果正常，应该

很有意思吧，在64位系统下，我们仍然调用user32的API。可能是名称用习惯了，微软自己都懒得改了吧。

3.2  64位的椎栈
    代码中还有一处值得注意，那就是sub rsp,28h和add rsp,28h。28h这个数值是怎么来的呢？
首先，x64中椎栈被扩展为64位；其次，我们在调用MessageBoxA时，要给四个参数外加一个返回地址留空间，因此8(位)*5=40=28h。
    另外一些小问题要注意，AMD64不支持push 32bit寄存器的指令，最好的方法就是push和pop都用64位寄存器。EM64T如何？看了下Intel的开发手册，各个指令都分三种情况：纯32位、纯64位和32与64位混合。下面是手册的片段：

Opcode*      Instruction        64-Bit Mode       Compat/Leg Mode      Description
FF /6         PUSH r/m16         Valid                 Valid            Push r/m16.
FF /6         PUSH r/m32         N.E.                  Valid            Push r/m32.
FF /6         PUSH r/m64         Valid                  N.E.           Push r/m64.

Default operand size 64-bits.

    没别的好方法，使用中多注意，尽量在64位程序中保用64位寄存器。

4.  一些参考资料
    写完了第一个hello world，本文就此打住。本还想写一些内容，但掌握不深，留待下回吧。感觉有些资料不得不在第一篇文章中放出来，因为它们是现有学习x64汇编的最好教材了，文中很多代码和知识点也来自于这些资料。
（1）《Moving to Windows x64》，出自：http://www.ntcore.com/Files/vista_x64.htm
（2）GoASM的帮助文档，目前最好的64位汇编教程。出自：www.jorgon.freeserve.co.uk
（3）《开始进行 64 位 Windows 系统编程之前需要了解的所有信息》，出自：http://www.microsoft.com/china/MSDN/library/Windev/64bit/issuesx64.mspx
（4）来自CodeGurus的两篇文章
《Assembler & Win64》，
http://www.codegurus.be/codegurus/Programming/assembler&win64_en.htm
《bout RIP relative addressing》
http://www.codegurus.be/codegurus/Programming/riprelativeaddressing_en.htm
（5）AMD开发手册
（6）Intel开发手册，注意是新的《ntel® 64 and IA-32 Architectures software Developer’s Manual》


    64位技术现在还不成熟，没有好调试器，但是我们搞技术的总是对新东西充满了好奇和热情。这个理由就足够我们现在开始学习64位汇编了！OK，Let’s go on。

1.  再说Calling convention
    关于API的调用方式，在入门（1）中说了一些，不过感觉有必要再讲两点。一是在调用API时椎栈的框架，也就是Stack Frame，二是利用反汇编64位C/C++程序来研究calling convention。
    先说Stack Frame。图1是一个通用的椎栈框架。
在一个使用STDCALL的32位程序中，stack frame的四项工作：
（1）  传入参数的调用；
（2）  在返回caller时，callee要负责平衡椎栈；
（3）  给局部变量提供空间；
（4）  保证ebx、esi、edi和ebp四个寄存器的值不变（这种寄存器被称为non-volatile）。
在64位环境中，少了一个平衡椎栈的任务，因为平衡椎栈的工作由caller负责了，因此callee的stack frame只剩下三项工作：
（1）  将寄存器传入的参数和其它超过4个以上的参数在椎栈上保存（入栈）；
（2）  给局部变量提供空间；
（3）  保证non-volatile寄存器的值不变，包括ebp、ebx、rdi、rsi、r12到r15，xmm6到xmm15。

    所以，在一个函数的开始往往有如下代码：

  MOV [RSP+8h],RCX
  MOV [RSP+10h],RDX
  MOV [RSP+18h],R8
  MOV [RSP+20h],R9
  PUSH RBP
  MOV RBP,RSP

    而在返回时会有如下代码：
  LEA RSP,[RBP]
  POP RBP
  RET