Linux 汇编语言开发指南

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汇编语言的优点是速度快，可以直接对硬件进行操作，这对诸如图形处理等关键应用是非常重要的。 C 语言开发的操作系统，这使得很多程序员开始忘记在Linux 平台上编写汇编代码的程序员提供指南，介绍Linux 汇编程序。

一、简介

作为最基本的编程语言之一，汇编语言虽然应用的范围不算很广，但重要性却勿庸置疑，因为它能够完成许多其它语言所无法完成的功能。就拿 C 语言编写的，但仍然不可避免地在某些关键地方使用了汇编代码，其中主要是在 C 语言也会有些力不从心，而汇编语言则能够很好扬长避短，最大限度地发挥硬件的性能。

大多数情况下 Linux 操作系统中也可以用完全用 GCC 这一优秀的编译器目前已经能够对最终生成的代码进行很好的优化，的确有足够的理由让我们可以暂时将汇编语言抛在一边了。但实现情况是 libc 无关性。假设要移植

·        能够直接访问与硬件相关的存储器或

·        编写的代码非常难懂，不好维护；

·        很容易产生Linux 下用汇编语言编写的代码具有两种不同的形式。第一种是完全的汇编代码，指的是整个程序全部用汇编语言编写。尽管是完全的汇编代码， C 语言的长处，使得程序员可以使用#ifdef 等预处理指令，并能够通过宏定义来简化代码。第二种是内嵌的汇编代码，指的是可以嵌入到 ANSI 的 C 编译器都做了这方面的扩充，这其中当然就包括 GCC。

 

二、Linux 汇编语法格式

绝大多数DOS/Windows 下的汇编语言，这些汇编代码都是 Unix 和 AT&T 格式，两者在语法格式上有着很大的不同： AT&T 汇编格式中，寄存器名要加上 Intel 汇编格式中，寄存器名不需要加前缀。例如：

Intel 格式

push eax

在 '$' 前缀表示一个立即操作数；而在AT&T 格式

pushl $1

AT&T 和 Intel 汇编格式中，目标操作数在源操作数的左边；而在AT&T 格式

addl $1, %eax

AT&T 汇编格式中，操作数的字长由操作符的最后一个字母决定，后缀'w'、byte，word，long， Intel 汇编格式中，操作数的字长是用 "word ptr" 等前缀来表示的。例如：

Intel 格式

mov al, byte ptr val

在jump/call）的操作数前要加上 Intel 格式中则不需要。

远程转移指令和远程子调用指令的操作码，在 "ljump" 和 Intel 汇编格式中则为 "call far"，即：

Intel 格式

jmp far section:offset

call far section:offset

AT&T 格式

lret $stack_adjust

AT&T 汇编格式中，内存操作数的寻址方式是

而在section:[base + index*scale + disp]

Linux 工作在保护模式下，用的是disp + base + index * scale

AT&T 格式

movl -4(%ebp), %eax

movl array(, %eax, 4), %eax

movw array(%ebx, %eax, 4), %cx

movb $4, %fs:(%eax)

 

三、Hello World!

真不知道打破这个传统会带来什么样的后果，但既然所有程序设计语言的第一个例子都是在屏幕上打印一个字符串 Linux 下的汇编语言程序设计。

在 Linux 内核提供的系统调用。使用这种方法最大的好处是可以直接和操作系统的内核进行通讯，不需要链接诸如 ELF 解释器，因而代码尺寸小且执行速度快。

32 位操作系统，采用 ELF 格式的二进制代码。一个.text、 .bss，其中.data 是可读可写的数据区，而 ELF 中统称为 section，也可以添加自定义 ELF 可执行程序至少应该有一个 AT&T 汇编语言格式：

例#hello.s

        msg : .string "Hello, world!//n" # 要输出的字符串

.text                    # 代码段声明

       

        movl $len, %edx  # 参数三：字符串长度

        movl $1, %ebx    # 参数一：文件描述符        movl $4, %eax    # 系统调用号        int  $0x80       # 调用内核功能

                         # 退出程序

       movl $0,%ebx     # 参数一：退出代码

(sys_exit)

 

 

初次接触到 Linux 平台上你同样可以使用2. Intel 格式

section .data            ; 数据段声明         len equ $ - msg                 ; 字串长度 global _start            ; 指定入口函数         mov edx, len     ; 参数三：字符串长度         mov ebx, 1       ; 参数一：文件描述符        mov eax, 4       ; 系统调用号        int 0x80         ; 调用内核功能         mov ebx, 0       ; 参数一：退出代码 (sys_exit)

 

上面两个汇编程序采用的语法虽然完全不同，但功能却都是调用 sys_write 来显示一个字符串，然后再调用 Linux 内核源文件Linux 平台下的汇编工具虽然种类很多，但同1.汇编器

汇编器（Linux 平台的标准汇编器是 GCC 所依赖的后台汇编工具，通常包含在GAS 使用标准的 AT&T 格式编写的程序：

Linux 平台上另一个经常用到的汇编器是 bin、coff、rdf 等。 GAS 快很多，更重要的是它使用的是 Intel 语法格式编写的汇编程序：

2.链接器 由汇编器产生的目标代码是不能直接在计算机上运行的，它必须经过链接器的处理才能生成可执行代码。链接器通常用来将多个目标代码连接成一个可执行代码，这样可以先将整个程序分成几个模块来单独开发，然后才将它们组合)成一个应用程序。 ld 作为标准的链接程序，它同样也包含在 GAS 或 ld 将其链接成可执行程序了：

3.调试器 有人说程序不是编出来而是调出来的，足见调试在软件开发中的重要作用，在用汇编语言编写程序时尤其如此。 GDB、 ALD(Assembly Language Debugger)。 从调试的角度来看，使用(symbol table)，这样就可以使用 DDD 来进行源码级的调试了。要在生成的可执行程序中包含符号表，可以采用下面的方式进行编译和链接： [xiaowp@gary code]$ ld -o hello hello.o   执行 --gstabs 可以告诉汇编器在生成的目标代码中加上符号表，同时需要注意的是，在用 -s 参数，否则目标代码中的符号表在链接时将被删去。 在 DDD 中调试汇编代码和调试1 是在 图 DDD 中调试汇编程序 汇编程序员通常面对的都是一些比较苛刻的软硬件环境，短小精悍的ALD来调试汇编程序。首先在命令行方式下执行[xiaowp@gary doc]$ ald hello Copyright (C) 2000-2002 Patrick Alken Loading debugging symbols...(15 symbols loaded) ALD 的提示符出现之后，用ald> disassemble -s .text 08048074  BA0F000000                 mov edx, 0xf 0804807E  BB01000000                 mov ebx, 0x1 08048088  CD80                       int 0x80 0804808F  B801000000                 mov eax, 0x1

 

上述输出信息的第一列是指令对应的地址码，利用它可以设置在程序执行时的断点：

Breakpoint 1 set for 0x08048088

断点设置好后，使用ALD 在遇到断点时将自动暂停程序的运行，同时会显示所有寄存器的当前值：

Starting program: hello eax = 0x00000004 ebx = 0x00000001 ecx = 0x08049098 edx = 0x0000000F ds  = 0x0000002B es  = 0x0000002B fs  = 0x00000000 gs  = 0x00000000 Flags: PF ZF IF next 命令： Hello, world! esp = 0xBFFFF6C0 ebp = 0x00000000 esi = 0x00000000 edi = 0x00000000 ss  = 0x0000002B cs  = 0x00000023 eip = 0x0804808F eflags = 0x00000346 0804808F  B801000000                 mov eax, 0x1   若想获得 help 命令： Commands may be abbreviated. Type `help <command>' for more specific information on <command>. attach         clear          continue       detach         disassemble next           quit           register       run            set Breakpoint related commands lbreak         tbreak   五、系统调用 即便是最简单的汇编程序，也难免要用到诸如输入、输出以及退出等操作，而要进行这些操作则需要调用操作系统所提供的服务，也就是系统调用。除非你的程序只完成加减乘除等数学运算，否则将很难避免使用系统调用，事实上除了系统调用不同之外，各种操作系统的汇编编程往往都是很类似的。 在 C 库（ Linux 内核服务的方法，因为最终生成的程序不需要与任何库进行链接，而是直接和内核通信。 和Linux 下的系统调用也是通过中断（ int 80 指令时，寄存器 ebx，edx，edi 中，当系统调用完成之后，返回值可以在寄存器/usr/include/bits/syscall.h 中找到，为了便于使用，它们是用 SYS_write、 write 函数是如下定义的： SYS_write 这一系统调用来实现的。根据上面的约定，参数buf 和 ebx、 edx 中，而系统调用号 eax 中，当 eax 中获得。 或许你已经发现，在进行系统调用时至多只有 5 吗？当然不是，例如 6 个参数，这些参数最后都需要传递给系统调用void  *  mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd, off_t offset); 当一个系统调用所需的参数个数大于int 0x80 指令时仍需将系统调用功能号保存在寄存器 ebx 中保存指向该内存区域的指针。系统调用完成之后，返回值仍将保存在寄存器(stack)来传递系统调用所需的参数。但要注意一点， C 语言的调用模式，这就意味着所有参数必须以相反的顺序进栈，即最后一个参数先入栈，而第一个参数则最后入栈。如果采用栈来传递系统调用所需的参数，在执行 ebx中。   六、命令行参数 在 argc，然后是指向各个命令行参数的指针数组 envp。在编写汇编语言程序时，很多时候需要对这些参数进行处理，下面的代码示范了如何在汇编代码中进行命令行参数的处理： 例# args.s/.text                 popl    %ecx        # argc         popl    %ecx        # argv          jz  exit         xorl    %edx, %edx         movb    (%ebx), %al         inc %ebx         jnz strlen         movl    $4, %eax        # 系统调用号        movl    $1, %ebx        # 文件描述符        int $0x80 exit: (sys_exit)         int     $0x80 C 语言程序中，从而充分利用高级语言和汇编语言各自的特点。但一般来讲，在"纯粹<font color="black" face=""">"的汇编语言代码复杂得多，因为需要解决如何分配寄存器，以及如何与GCC 提供了很好的内联汇编支持，最基本的格式是： __asm__("nop"); 如果需要同时执行多条汇编语句，则应该用__asm__( "pushl %%eax //n//t"          "popl %eax");

 

通常嵌入到__asm__("asm statements" : outputs : inputs : registers-modified);

插入到":"分隔的四个部分，其中第一部分就是汇编代码本身，通常称为指令部，其格式和在汇编语言中使用的格式基本相同。指令部分是必须的，而其它部分则可以根据实际情况而省略。

在将汇编语句嵌入到C代码中的变量相结合是个很大的问题。"样板<font color="black" face=""">"和约束条件就可以了，具体如何将寄存器与变量结合起来完全由GAS来负责。

在'%'的数字%0，"样板<font color="blue" face=""">"操作数。指令部中使用了几个样板操作数，就表明有几个变量需要与寄存器相结合，这样GAS在编译和汇编时会根据后面给定的约束条件进行恰当的处理。由于样板操作数也使用'%'，以免产生混淆。

紧跟在指令部后面的是输出部，是规定输出变量如何与样板操作数进行结合的条件，每个条件称为一个<font color="blue" face=""">"约束<font color="blue" face=""">"，必要时可以包含多个约束，相互之间用逗号分隔开就可以了。每个输出约束都以GCC在调度寄存器时所使用的依据。

输出部后面是输入部，输入约束的格式和输出约束相似，但不带GCC在预处理时就会为之分配一个寄存器，并插入必要的指令将操作数装入该寄存器。与输入部中说明的操作数结合的寄存器或操作数本身，在执行完嵌入的汇编代码后也不保留执行之前的内容。

有时在进行某些操作时，除了要用到进行数据输入和输出的寄存器外，还要使用多个寄存器来保存中间计算结果，这样就难免会破坏原有寄存器的内容。在GCC能够采用相应的措施。

下面是一个内联汇编的简单例子：

例/* inline.c */

{

    __asm__ __volatile__("movl %1, %%eax;//n//r"

                    "movl %%eax, %0;"

*/   

*/

*/

    printf("Result: %d, %d//n", a, b);

 

 

上面的程序完成将变量b，有几点需要说明：

·        变量%0来引用，而变量%1来引用。

·        输入操作数和输出操作数都使用a和变量'='。

·        在内联汇编语句中使用寄存器'%'，即%0、'%'的标识符都看成是操作数，而不是寄存器。

·        内联汇编语句的最后一个部分告诉eax中的值，b被指定成输出操作数，当内联汇编语句执行完毕后，它所保存的值将被更新。

在内联汇编中用到的操作数从输出部的第一个约束开始编号，序号从'%'作为前缀就可以了。需要注意的是，内联汇编语句的指令部在引用一个操作数时总是将其作为"m"、"o"

内存单元

"q"

寄存器ebx、edx之一

"h"

直接操作数

"F"

浮点数

"a"、"c"、eax、ecx和"S"和esi、"I"

常数（31）

 1。"m":操作数是内存变量。    
  
  2。"o":操作数是内存变量，但它的寻址方式必须是“偏移量”类型的，   
  也就是基址寻址或者基址加变址寻址。   
  
  3。"V":操作数是内存变量，其寻址方式非“偏移量”类型。   
  
  4。"   ":操作数是内存变量，其地址自动增量。   
  
  6。"r":操作数是通用寄存器。   
  
  7。"i":操作数是立即操作数。（其值可在汇编时确定）   
  
  8。"n":操作数是立即操作数。有些系统不支持除字(双字节)以外的   
  立即操作数，这些操作数要用"n"而不是"i"来描述。   
  
  9。"g":操作数可以是立即数，内存变量或者寄存器，只要寄存器属   
  于通用寄存器。   
  
  10。"X":操作数允许是任何类型。   
  
  11。"0","1",...,"9":操作数与某个指定的操作数匹配。也就是说，   
  该操作数就是指定的那个操作数。例如，如果用"0"来描述"%1"操作   
  数，那么"%1"引用的其实就是"%0"操作数。   
  
  12。"p":操作数是一个合法的内存地址（指针）。   
  
  13。"=":操作数在指令中是只写的（输出操作数）。   
  
  14。"+":操作数在指令中是读-写类型的（输入-输出操作数）。   
  
  15。"a":寄存器EAX。   
  
  16。"b":寄存器EBX。   
  
  17。"c":寄存器ECX。   
  
  18。"d":寄存器EDX。   
  
  19。"q":寄存器"a","b","c"或者"d"。   
  
  20。"A":寄存器"a"或者"d"。   
  
  21。"a":寄存器EAX。   
  
  22。"f":浮点数寄存器。   
  
  23。"t":第一个浮点数寄存器。   
  
  24。"u":第二个浮点数寄存器。   
  
  25。"D":寄存器di。   
  
  26。"S":寄存器si。   
  
  27。"I":0-31之间的立即数。（用于32位的移位指令）   
  
  28。"J":0-63之间的立即数。（用于64位的移位指令）   
  
  29。"N":0-255之间的立即数。(用于"out"指令）   
  
  30。"G":标准的80387浮点常数。   

八、小结

C语言编写的，汇编只在必要的时候才被人们想到，但它却是减少代码尺寸和优化代码性能的一种非常重要的手段，特别是在与硬件直接交互的时候，汇编可以说是最佳的选择。GCC的内联汇编能够充分地发挥 Linux汇编资源。

2        软件包as和 NASM是 ALD是一个短小精悍的汇编调试器，其相关信息可以在网站http://dunx1.irt.drexel.edu/~psa22/ald.html上找到。

5        Intel汇编格式转换成 IBM developerWorks上有一篇介绍( )。

7        本文代码下载：代码。

 

 

地版， D ， incl D

C声明	(字节char	1
w	(unsigned) int / long / char*	4
s	double	8
t	GAL使用后缀l4字节整数和  GAS = C语言）
Imm	立即数寻址

Ea

%

Imm

0x104 = *0x104
（M[R[Ea]]	间接寻址	（= *eax
M[Imm+R[Ea]]	+偏移量4(%eax) = *(4+eax)
（M[R[Ea]+R[Eb]]	变址	Imm（M[Imm+R[Ea]+R[Eb]]	寻址	(,Ea,s)	(,%eax,4)= *(eax*4)
M[Imm+R[Ea]*s]	伸缩化变址寻址	(Ea,Eb,s)	(%eax,%ebx,4) = *(eax+ebx*4)
M(Imm+R[Ea]+R[Eb]*s)	伸缩化变址寻址	M[xx]表示在存储器中R[xx]表示寄存器  movl S,D	movw S,D	movb S,D	movsbl S,D	S	符号位填充->双字movzbl S,D	S	零填充->双字pushl S	–M[R[%esp]] <-- S	压栈
D <-- M[R[%esp]]；   leal S,D

movl

1
D--	减negl D

notl D addl S,D

subl S,D

–imull S,D

xorl S,D

orl S,D	andl S,D	sall k,D	shll k,D	(同sarl k,D	shrl k,D	imull S	64位乘
R[%edx]:R[%eax] = S * R[%eax]	有符号cltd S	R[%eax]	转换为idivl S	R[%eax] = R[%edx]:R[%eax] / S;	有符号除法，保存余数和商
R[%edx] = R[%edx]:R[%eax] % S; 64位数通常存储为，高edx，低eax。   条件码： 条件码寄存器描述了最近的算数或逻辑操作的属性。 OF：溢出标志，二进制补码溢出ZF：零标志，结果为SF：符号标志，操作结果为负。   比较指令： 指令 基于 描述 S1 S2 比较字节，差关系 S1 & S2 测试字节，与关系 S1 S2 比较字，差关系 S1 & S2 测试字，与关系 S1 S2 比较双字，差关系 S1 & S2 测试双字，与关系   访问条件码指令： 零 非零 无符号setb D 指令 同义名 效果 设置条件 setz /
setnz

/ setns D

D = ~SF	非负数
setnle	>）
setnl	(有符号setl D	D = SF ^ OF	小于<)
setng	(有符号seta D	D = ~CF & ~ZF	超过>)
setnb

(

D = CF	低于<)
setna	(无符号  jmp   Label	1	直接跳转
	je     Label	ZF	等于jne    Label	~ZF	不等js     Label	SF	负数
	jg     Label	~(SF^OF) & ~ZF	大于>)
jnl	(有符号jl     Label	SF ^ OF	小于（有符号jle     Label	(SF ^ OF) | ZF	小于等于<=)
jnbe	(无符号jae    Label	~CF	超过或等于>=)
jnae	(无符号jbe    Label	CF | ZF	低于或等于<=)

 

转移控制指令：（函数调用）：

指令	描述
call后面那条指令的地址
leave	为返回准备好栈，为%ebp