Linux中的匯編語言

1、Linux 中的匯編語言在閱讀 Linux 源代碼時(shí)，你可能碰到一些匯編語言片段，有些匯編語言出現(xiàn)在以.S為擴(kuò)展名的匯編文件中，在這種文件中，整個(gè)程序全部由匯編語言組成。有些匯編命令出現(xiàn)在以 .c 為擴(kuò)展名的C 文件中，在這種文件中，既有C 語言，也有匯編語言，我們把出現(xiàn)在 C代碼中的匯編語言叫所“嵌入式”匯編。不管這些匯編代碼出現(xiàn)在哪里，它在一定程度上都成為閱讀源代碼的攔路虎。盡管 C語言已經(jīng)成為編寫操作系統(tǒng)的主要語言，但是，在操作系統(tǒng)與硬件打交道的過程中，在需要頻繁調(diào)用的函數(shù)中以及某些特殊的場(chǎng)合中，C語言顯得力不從心，這時(shí)，繁瑣但又高效的匯編語言必須粉墨登場(chǎng)。因此，在了解一些硬件的基礎(chǔ)上，

2、必須對(duì)相關(guān)的匯編語言知識(shí)也所有了解。讀者可能有過在DOS操作系統(tǒng)下編寫匯編程序的經(jīng)歷,也具備一定的匯編知識(shí)。但是，在 Linux 的源代碼中，你可能看到了與Intel的匯編語言格式不一樣的形式，這就是AT&T 的 386 匯編語言。一、 AT&T 與 Intel匯編語言的比較我們知道， Linux 是 Unix 家族的一員，盡管Linux 的歷史不長(zhǎng)，但與其相關(guān)的很多事情都發(fā)源于Unix 。就 Linux 所使用的386 匯編語言而言，它也是起源于Unix 。Unix 最初是為 PDP 11開發(fā)的，曾先后被移植到VAX 及 68000 系列的處理器上，這些處理器上的匯編語言都采

3、用的是AT&T 的指令格式。當(dāng)Unix 被移植到i386 時(shí)，自然也就采用了AT&T 的匯編語言格式，而不是Intel的格式。盡管這兩種匯編語言在語法上有一定的差異，但所基于的硬件知識(shí)是相同的，因此，如果你非常熟悉Intel的語法格式，那么你也可以很容易地把它“移植“到AT&T 來。下面我們通過對(duì)照Intel與 AT&T 的語法格式，以便于你把過去的知識(shí)能很快地“移植”過來。1前綴在 Intel的語法中，寄存器和和立即數(shù)都沒有前綴。但是在AT&T 中，寄存器前冠以“”，而立即數(shù)前冠以“$” 。在 Intel的語法中，十六進(jìn)制和二進(jìn)制立即數(shù)后綴分別冠以“

4、h” 和“ b” ，而在 AT&T 中，十六進(jìn)制立即數(shù)前冠以“0x ”，表 2.2 給出幾個(gè)相應(yīng)的例子。表 2.2 Intel 與 AT&T 前綴的區(qū)別Intel語法AT&T 語法moveax,8movl$8,%eaxmovebx,0ffffhmovl$0xffff,%ebxint80hint$0x802. 操作數(shù)的方向Intel與 AT&T 操作數(shù)的方向正好相反。在Intel語法中，第一個(gè)操作數(shù)是目的操作數(shù)，第二個(gè)操作數(shù)源操作數(shù)。而在 AT&T 中，第一個(gè)數(shù)是源操作數(shù)，第二個(gè)數(shù)是目的操作數(shù)。由此可以看出，AT&T 的語法符合人們通常的閱讀習(xí)慣。

5、例如：在Intel中，moveax,ecx在AT&T 中， movl(%ecx),%eax3內(nèi)存單元操作數(shù)從上面的例子可以看出，內(nèi)存操作數(shù)也有所不同。在Intel的語法中，基寄存器用“”括起來，而在AT&T 中，用“（）”括起來。例如：在Intel中， moveax,ebx+5在AT&T， movl5(%ebx),%eax4間接尋址方式與Intel的語法比較，AT&T 間接尋址方式可能更晦澀難懂一些。Intel的指令格式是segreg:base+index*scale+disp，而 AT&T 的格式是%segreg:disp(base,index,sca

6、le)。其中index/scale/disp/segreg全部是可選的，完全可以簡(jiǎn)化掉 。如果沒有指定 scale 而指定了index ，則 scale 的缺省值 為 1。segreg 段寄存器 依賴 于指令以及應(yīng)用程序是運(yùn)行在實(shí)模式還是保護(hù)模 式下，在 實(shí)模 式下，它 依賴 于指令，而在保護(hù)模 式下， segreg是多 余的。在AT&T 中，當(dāng)立即數(shù)用在 scale/disp 中時(shí)，不應(yīng)當(dāng)在其前冠以“$” 前綴，表2.3 給出其語法及幾個(gè)相應(yīng)的例子。表 2.3內(nèi)存操作數(shù)的語法及舉例Intel 語法AT&T 語法指令foo,segreg:base+index*scale+dis

7、p指令%segreg:disp(base,index,scale),foomoveax,ebx+20hMovl0x20(%ebx),%eaxaddeax,ebx+ecx*2hAddl(%ebx,%ecx,0x2),%eaxleaeax,ebx+ecxLeal(%ebx,%ecx),%eaxsubeax,ebx+ecx*4h-20hSubl-0x20(%ebx,%ecx,0x4),%eax從表中可以看出，AT&T 的語法比較晦澀難懂，因?yàn)閎ase+index*scale+disp一眼就可以看出其 含義 ，而 disp(base,index,scale)則不可能 做到這 點(diǎn)。這種尋址方式常

8、常用在訪問 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)組中某個(gè)特定元素內(nèi)的一個(gè)字段，其中，base 為數(shù)組的起始地址， scale 為 每個(gè)數(shù)組元 素的大小 ， index 為下 標(biāo)。如果數(shù)組元素還是一個(gè) 結(jié)構(gòu) ，則 disp 為具 體字 段在 結(jié)構(gòu) 中的 位移。5操作碼的后綴在上面的例子中你可能已注意 到，在AT&T 的操作碼后面有一個(gè)后綴，其含義 就是指出操作碼的大小 。“ l ”表 示長(zhǎng)整數(shù)（ 32 位），“ w” 表示字 （ 16位），“ b” 表示字節(jié)（ 8 位）。而在 Intel的語法中，則要在內(nèi)存單元操作數(shù)的前面加上 byte ptr、 word ptr,和 dword ptr ，“ dword ”對(duì)

9、應(yīng)“ long ”。表 2.4 給出幾個(gè)相應(yīng)的例子。表 2.4 操作碼的后綴 舉例Intel 語法AT&T 語法Moval,blmovb%bl,%alMovax,bxmovw%bx,%axMoveax,ebxmovl%ebx,%eaxMoveax, dword ptr ebxmovl(%ebx),%eax二、AT&T 匯編語言的相關(guān)知識(shí)在 Linux 源代碼中，以.S 為擴(kuò)展名的文件是“純 ”匯編語言的文件。這里，我們結(jié)合具體的例子 再介紹 一些 AT&T 匯編語言的相關(guān)知識(shí)。1 GNU匯編程序GAS（ GNU Assembly 和連接程序當(dāng)你編寫了一個(gè)程序后，就需要對(duì)

10、其進(jìn)行匯編（ assembly ）和 連接。在 Linux 下有兩種方式，一種是使用匯編程序GAS和連接程序 ld ，一種是使用gcc 。我們先來看一下GAS和 ld:GAS把匯編語言源文件（.o） 轉(zhuǎn)換 為目 標(biāo)文件（ .o），其基 本語法如下：as filename.s -o filename.o一旦創(chuàng)建 了一個(gè)目 標(biāo)文件，就需要把它連接并執(zhí)行 ，連接一個(gè)目 標(biāo)文件的基 本語法為：ld filename.o -o filename這里filename.o是目 標(biāo)文件名，而filename是輸出 (可執(zhí)行 ) 文件。GAS使用的是AT&T 的語法而不是Intel的語法，這就再次說明

11、了 AT&T 語法是Unix世界 的標(biāo)準(zhǔn) ，你必須熟悉它。如果要使用GNC的 C編譯器 gcc ，就可以一 步完成匯編和連接，例如：gcc -o example example.S這里， example.S 是你的匯編程序，輸出文件（可執(zhí)行 文件）名為example 。其中，擴(kuò)展名必須為大寫的 S，這是因?yàn)?，令?像 #include 、#define 、#ifdef匯編程序中使用C的預(yù)處理命令。大寫的 S可以使 gcc 自動(dòng)識(shí)別匯編程序中的C預(yù)處理命、 #endif等，也就是 說，使用 gcc 進(jìn)行編譯，你可以在2. AT&T 中的 節(jié)（ Section ）在 AT&

12、T 的語法中，一個(gè)節(jié)由 .section關(guān)鍵詞 來 標(biāo)識(shí)，當(dāng)你編寫匯編語言程序時(shí)，至少需要有以下 三種節(jié)：.section .data：這種 節(jié)包含 程序已初 始化 的數(shù) 據(jù)，也就是說， 包含 具有初 值的那些 變量，例如：hello: .string "Hello world!n"hello_len : .long 13.section .bss：這個(gè) 節(jié)包含 程序 還未 初始化 的數(shù) 據(jù) ，也就是 說， 包含 沒有初 值的那些 變量。當(dāng)操作系統(tǒng)裝入這個(gè)程序時(shí)將把這些 變量 都置為 0，例如：name: .fill 30#用來 請(qǐng)求 用戶輸 入名 字name_len :

13、.long 0#名字的長(zhǎng)度(尚未 定義 )當(dāng)這個(gè)程序被裝入時(shí)， name 和name_len 都被 置為 0。如果你在.bss 節(jié)不小心給一個(gè)變量賦 了初值，這個(gè) 值也會(huì)丟失 ，并且變量 的值仍為 0。使用 .bss 比使用 .data 的優(yōu)勢(shì) 在于， .bss 節(jié)不占用磁盤 的空間。在磁盤 上，一個(gè)長(zhǎng)整數(shù)就足以存 放 .bss 節(jié) 。當(dāng)程序被 裝入到內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)也只分 配給這個(gè) 節(jié) 4 個(gè)字節(jié) 的內(nèi)存大小 。注意 ：編 譯程序把 .data 和 .bss 在 4 字節(jié) 上對(duì) 齊（ align ），例如， .data 總共 有 34 字節(jié)，那么編 譯程序把它對(duì)其在36 字節(jié) 上，也就是說，

14、實(shí)際 給它 36 字節(jié) 的 空間。.section .text：這個(gè) 節(jié)包含 程序的代碼，它是只讀節(jié)，而 .data和 .bss 是讀 寫節(jié)。3匯編程序指令（Assembler Directive）上面介紹 的 .section 就是匯編程序指令的一種，GNU匯編程序 提供 了很多這樣的指令（ directiv），這種指令都是以句點(diǎn) （ .）為開 頭，后 跟指令名（ 小寫字母 ），在此，我們只介紹 在內(nèi) 核源代碼中出現(xiàn)的幾個(gè)指令（以arch/i386/kernel/head.S中的代碼為例）。（ 1） ascii "string".ascii表示零個(gè)或多個(gè)（用 逗號(hào)隔 開）

15、字符串，并把每個(gè)字符串（結(jié)尾不自動(dòng)加“ 0“ 字節(jié) ）中的 字符放在連續(xù) 的地址單元。還有一個(gè)與 .ascii類似 的 .asciz ， z 代表“ 0“ ，即 每個(gè)字符串結(jié)尾 自動(dòng)加 一個(gè)” 0“字節(jié) ，例如：int_msg:.asciz "Unknown interruptn"（ 2） .byte 表達(dá)式.byte 表示零或 多個(gè)表 達(dá)式（用 逗號(hào)隔 開）， 每個(gè)表 達(dá) 式被 放在下一個(gè) 字節(jié) 單元。（ 3） .fill表達(dá)式形式： .fill repeat , size , value其中，repeatsize和valueFill的含義 是反 復(fù)拷貝size個(gè)字節(jié) 。

16、、都是常 量表達(dá)式。Repeat 可以 大于等于 0。size也可以 大于等于 0，但不能超過 8，如果 超過 8，也 只取 8。把repeat個(gè)字節(jié) 以 8 個(gè)為一組， 每組的最高4 個(gè)字節(jié) 內(nèi)容為 0，最 低 4 字節(jié) 內(nèi)容 置為 value 。Size 和 value 為可選 項(xiàng) 。如果第二個(gè)逗號(hào) 和 value 值不存在， 則假 定 value 為 0。如果第一個(gè) 逗號(hào) 和 size 不存在， 則假 定 size 為 1。例如，在 Linux 初始化 的過程中，對(duì)全局描述 符表 GDT進(jìn)行設(shè)置 的最后一 句為：.fill NR_CPUS*4,8,0/* space for TSS

17、9;s and LDT's */因?yàn)槊總€(gè)描述 符正好 占 8 個(gè)字節(jié) ，因此， .fill給每個(gè) CPU留有存 放 4 個(gè)描述 符的 位置。（ 4） .globl symbol.globl使得 連接程序（ ld ）能 夠看到 symbl 。如果你的局部程序中定義了 symbl ，那么，與這個(gè) 局部程序 連接的其 他局 部程序也能存取 symbl ，例如：.globl SYMBOL_NAME(idt).globl SYMBOL_NAME(gdt)定義 idt和 gdt 為全 局 符號(hào)。（ 5） quad bignums.quad 表示零 個(gè)或多個(gè) bignums （用 逗號(hào) 分隔），對(duì)于

18、 每個(gè) bignum ，其 缺省值 是 8 字節(jié)整數(shù)。如果bignum 超過 8 字節(jié) ，則打印 一個(gè) 警告信息；并只取bignum 最低 8 字節(jié) 。例如，對(duì)全 局描述 符表的 填充 就用到這個(gè)指令：.quad 0x00cf9a000000ffff/* 0x10 kernel 4GB code at 0x00000000 */.quad 0x00cf92000000ffff/* 0x18 kernel 4GB data at 0x00000000 */.quad 0x00cffa000000ffff/* 0x23 user4GB code at 0x00000000 */.quad 0x00

19、cff2000000ffff/* 0x2b user4GB data at 0x00000000 */（ 6） rept count把.rept 指令與 .endr 指令 之間的 行重復(fù) count 次，例如.rept3.long0.endr相當(dāng)于.long0.long0.long0（ 7） space size , fill這個(gè)指令 保留 size 個(gè)字節(jié) 的空間， 每個(gè)字節(jié) 的值為 fill。size和 fill都是常 量表達(dá)式。如果 逗號(hào) 和 fill被省略 ，則假 定 fill為 0，例如在arch/i386/bootl/setup.S中有一 句：.space 1024表示保留 102

20、4字節(jié)的空間，并且每 個(gè)字節(jié) 的值為 0。（ 8） .word expressions這個(gè)表 達(dá)式表 示任意 一節(jié)中的一個(gè) 或多個(gè)表 達(dá)式（用 逗號(hào) 分開），表達(dá)式的 值占 兩個(gè)字節(jié) ，例如：gdt_descr:.word GDT_ENTRIES*8-1表示變量 gdt_descr 的置為 GDT_ENTRIES*8-1（ 9） .long expressions這與.word 類似（ 10） .org new-lc , fill把當(dāng)前節(jié)的位置計(jì) 數(shù)器 提前到 new-lc （ new location counter）。new-lc或者是一個(gè)常量表達(dá)式， 或者是一個(gè)與當(dāng)前子節(jié)處于同一 節(jié)的表

21、 達(dá) 式。也就是 說，你不能用 .org 橫跨節(jié)：如果 new-lc是個(gè) 錯(cuò)誤 的值，則 .org 被忽略 。.org 只能增加位置計(jì) 數(shù)器的 值，或者讓其保持 不變； 但絕不能用 .org 來讓位置計(jì) 數(shù)器 倒退 。注意 ，位置計(jì) 數(shù)器的起 始值 是相對(duì)于一個(gè)節(jié)的開 始的，而不是子節(jié)的開 始。當(dāng) 位置計(jì)數(shù)器被 提升 后，中間 位置 的 字節(jié) 被填充值fill（這也是一個(gè)常量表達(dá)式）。如果逗號(hào) 和fill都省略 ，則 fill的缺省值 為 0。例如： .org 0x2000ENTRY(pg0)表示把位置計(jì) 數(shù)器 置為 0x2000 ，這個(gè) 位置 存放的就是 臨時(shí)頁表 pg0。三、 Gcc 嵌入

22、式匯編在 Linux 的源代碼中，有很多C 語言的函數(shù)中嵌入一段匯編語言程序段，這就是gcc提供 的“ asm”功 能，例如在include/asm-i386/system.h中定 義的，讀 控制寄存器CR0的一個(gè) 宏 read_cr0() ：)這種形式看起來比較陌生 ，這是因?yàn)檫@不是標(biāo)準(zhǔn) C所定 義的形式，而是gcc 對(duì) C語言的擴(kuò) 充 。其中 _dummy為 C 函數(shù)所定 義的變量； 關(guān)鍵詞 _asm_表示匯編代碼的開始。括弧中第一個(gè) 引號(hào) 中為匯編指令 movl ，緊接著有一個(gè) 冒號(hào) ，這種形式閱讀起來比較 復(fù)雜 。一般而言，嵌入式匯編語言片段比單 純的匯編語言代碼要 復(fù)雜 得多，因?yàn)檫@

23、里存在怎樣分 配和使用寄存器，以及把 C 代碼中的 變量 應(yīng)該存放在哪個(gè)寄存器中。 為了 達(dá)到這個(gè)目的，就必須對(duì)一般的 C 語言進(jìn) 行擴(kuò)充， 增加 對(duì)編 譯 器的指 導(dǎo) 作用，因此，嵌入式匯編看起來晦澀而難以讀懂。1. 嵌入式匯編的一 般形式：_asm_ _volatile_ ("<asm routine>" : output : input : modify);其中， _asm_表示匯編代碼的開始，其后可以跟 _volatile_（這是可選項(xiàng)），其含義 是避免 “ asm”指令被 刪除 、移 動(dòng)或 組合 ；然后就是 小括弧，括 弧中的內(nèi)容是我們介紹的重點(diǎn)：&#

24、183;"<asm routine>"為匯編指令部分，例如，"movl %cr0,%0nt"。數(shù)字前加前綴“，如 1， 2 等表示使用寄存器的樣 板操作數(shù)。 可以使用的操作數(shù)總數(shù)取決于具體 CPU中通用寄存器的數(shù)量，如 Intel 可以有8 個(gè)。指令中有幾個(gè)操作數(shù)，就說明 有幾個(gè) 變量需要與寄存器結(jié)合，由 gcc 在編 譯時(shí)根據(jù) 后面 輸出部分和 輸入部分的 約束條 件進(jìn)行相應(yīng)的處理。 由于這些樣 板操作數(shù)的前綴使用了”“，因此，在用到具體的寄存器時(shí)就在前面 加兩個(gè)“”，如 %cr0。·輸出部分（ output ），用以 規(guī)定對(duì) 輸

25、 出變量 （目 標(biāo)操作數(shù)）如 何與寄存器 結(jié)合的 約束（ constraint ） ,輸出部分可以有多個(gè)約束，互相以逗號(hào)分開。每個(gè)約束以“ ”開頭，接 著用一個(gè) 字母 來表 示操作數(shù)的 類型 ，然后是關(guān)于 變量結(jié) 合的 約束 。例如，上例中：:"=r" (_dummy)“ r ” 表示相應(yīng)的目 標(biāo)操作數(shù)（指令部分的%0）可以使用任何 一個(gè)通用寄存器，并且變量 _dummy 存放在這個(gè)寄存器中，但如果是：“ m” （ _dummy）“ m” 就表 示相應(yīng)的目 標(biāo)操作數(shù)是存放在內(nèi)存單元 _dummy中。表示約束條 件的 字母 很多，表2 5 給出幾個(gè)主要的約束字母 及其 含義

26、：表 2.5主要的 約束字母 及其 含義字母含義m, v,o表示內(nèi)存單元R表示任何 通用寄存器Q表示寄存器 eax, ebx, ecx,edx之一I, h表示直 接操作數(shù)E, F表示浮點(diǎn) 數(shù)G表示“任意 ”a, b.c d表示要求使用寄存器eax/ax/al, ebx/bx/bl, ecx/cx/cl或 edx/dx/dlS, D表示要求使用寄存器esi 或 ediI表示常數(shù)（ 0 31）·輸入部分（ Input ）： 輸入部分與 輸出部分相 似 ，但沒有“ ”。如果 輸入部分一個(gè)操作數(shù)所要求使用的寄存器，與前面輸出部分某個(gè)約束 所要 求的是同一個(gè)寄存器，那就把對(duì)應(yīng)操作數(shù)的編號(hào)（如“

27、 1”，“ 2” 等） 放在約束條 件中，在后面的例子中我們 會(huì)看到這種情 況。·修改 部分（ modify ） :這部分常常以“memory ”為 約束條 件，以表 示操作完成后內(nèi)存中的內(nèi)容已有改變 ，如果 原來某個(gè)寄存器的內(nèi)容來自內(nèi)存，那么現(xiàn)在內(nèi)存中這個(gè)單元的內(nèi)容已經(jīng)改變 。注意 ，指令部分為必選項(xiàng)，而 輸入部分、輸出部分及 修改 部分為可選 項(xiàng)，當(dāng) 輸入部分存在，而 輸 出部分不存在時(shí)，分號(hào) “：“要 保留 ，當(dāng)“ memory ”存在時(shí)， 三個(gè)分 號(hào)都要 保留 ，例如 system.h 中的 宏定義 _cli()：#define _cli()_asm_ _volatile_(

28、"cli": : :"memory")2. Linux 源代碼中嵌入式匯編 舉例Linux 源代碼中，在arch 目錄下的 .h 和 .c 文件中，很多文件都涉及嵌入式匯編，下面以 system.h 中的 C函數(shù)為例， 說明 嵌入式匯編的應(yīng)用。（ 1）簡(jiǎn)單應(yīng)用#define _save_flags(x)_asm_ _volatile_("pushfl ; popl %0":"=g" (x):/* no input */)#define _restore_flags(x)_asm_ _volatile_("

29、pushl %0 ; popfl": /* nooutput */:"g" (x):"memory", "cc")第一個(gè) 宏是 保存標(biāo)志 寄存器的 值，第二個(gè) 宏是 恢復(fù)標(biāo)志 寄存器的 值。第一個(gè) 宏中的pushfl指令是把 標(biāo)志 寄存器的 值壓棧 。而 popl 是把 棧頂 的值（剛壓 入棧的 flags ）彈出到x 變量 中，這個(gè) 變量 可以存 放在一個(gè)寄存器或內(nèi)存中。這樣，你可以很容易地讀懂第二個(gè)宏。(2) 較復(fù)雜 應(yīng)用static inline unsigned long get_limit(unsigned lon

30、g segment)unsigned long _limit;_asm_("lsll %1,%0":"=r" (_limit):"r" (segment);return _limit+1;這是一個(gè) 設(shè)置 段界限 的函數(shù)，匯編代碼段中的輸出參數(shù)為_limit%0（即 ），輸入?yún)?shù)為 segment（即 %1）。 Lsll 是加載 段界限 的指令，即把segment 段描述 符中的段 界限字段裝入某個(gè)寄存器（這個(gè)寄存器與_limit 結(jié)合），函數(shù)返回 _limit加 1，即段長(zhǎng)。（3）復(fù)雜 應(yīng)用在 Linux 內(nèi) 核代碼中，有關(guān)字符串操作的函數(shù)都是通過嵌入式匯編完成的，因?yàn)閮?nèi)核及用 戶程序?qū)?字符串函數(shù)的調(diào)用非常頻繁，因此，用匯編代碼實(shí)現(xiàn)主要是為了提高效率（當(dāng)然是以 犧牲 可讀 性和可 維護(hù)性 為代 價(jià)的）。在此，我們僅列舉一個(gè) 字符串比較函數(shù)strcmp ，其代碼在arch/i386 string.h中。static inline int strcmp(const char * cs,const char * ct)int d0, d1;register int _res;_asm_ _volatile_("1