組合語言 -- 使用 GNU 工具轉換 C 為組合語言後再修改

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文章 簡介 GNU 的組譯器名稱為 as，該程式屬於 GNU binutil 套件的一部分，在 Linux 與 Cygwin等環境中都有此組譯器，但是，由於保護機制的影響，單純使用 as 組譯器很難在 Cygwin 之下執行。 實際上，直接使用 as 組譯的情況並不多見，較常見的情況是使用 gcc 作為組譯器，由於 gcc 會在適當的時機呼叫組譯器 as與連結器 ld，因此，使用 GNU工具的程式設計師通常將 gcc 作為編譯、組譯與連結的萬用工具。在本節中，我們也將以 gcc 作為主要的組譯工具。 為了避免直接撰寫組合語言時誤觸作業系統的保護機制，我們可以利用 gcc 將 C 程式轉換為組合語言，然後再對這些組合語言進行修改，以此種方式『撰寫』組合語言，而非直接從零開始。 將C語言編譯為組合語言後修改 首先，請讀者先撰寫如範例 4.20的 C語言程式 (swap.c)，該程式宣告了x, y, t等 3 個變數，然後，利用三個指定敘述將 x 與 y 交換，這是一個在排序法中常見的動作。 範例 4.20 將 x 與 y 交換的C語言程式 (檔名：swap.c) int main() { int x=5, y=3, t; t=x; x=y; y=t; printf("x=%d\n",x); printf("y=%d\n",y); return 1; } 接著，我們利用 gcc -S swap.c -o swap.s 指令，將C語言程式 (swap.c) 編譯為組合語言檔 (swap.s)，swap.s 組合語言的內容如範例 4.21 (a) 所示。其中，29行的call ___main 指令之前的程式碼，主要是進行堆疊與框架環境的設定動作。接著，30行的movl $5, -4(%ebp) 指令將常數 5 放入變數 -4(%ebp) 這個位址中，該位址即為變數a位於堆疊中的位址。然後，31行的movl $3, -8(%ebp) 指令則是將常數 3 放入變數 b 的位址 -8(%ebp) 中。接著，在32-37 行，執行了 t=x; x=y; y=t 的交換動作，其中的 t 變數位址為 -12(%ebp)。然後，在 38-39 行的兩個指令movl -4(%ebp), %eax; movl %eax, 4(%esp)，將位於 -4(%ebp) 的x變數放到堆疊上，以便作為 printf 函數的第2個參數，然後在 40 行時，再度利用 movl $LC0, (%esp) 指令，將 LC0這個字串 (也就是 "x=%d\12\0" ) 放入堆疊的第一個參數中，然後用 call printf 指令呼叫 printf 函數，這就是輸出指令 printf("x=%d\n",x);的呼叫過程。接著，位於42-45 行內的是 printf("y=%d\n",y) 的組合語言程式，然後，在 46 行當中，movl $1, %eax 將傳回值 1 放入 eax 暫存器中，然後利用leave; ret兩個指令回到上一層。這就是整個C語言程式 (swap.c) 的 IA32 組合語言。 範例：指令 gcc -S swap.c -o swap.s 所產生的組合語言 (swap.s) .file "swap.c" .def ___main; .scl 2; .type 32; .endef .section .rdata,"dr" LC0: .ascii "x=%d\12\0" LC1: .ascii "y=%d\12\0" .text .globl _main .def _main; .scl 2; .type 32; .endef _main: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl $24, %esp andl $-16, %esp movl $0, %eax addl $15, %eax addl $15, %eax shrl $4, %eax sall $4, %eax movl %eax, -16(%ebp) movl -16(%ebp), %eax call __alloca call ___main movl $5, -4(%ebp) movl $3, -8(%ebp) movl -4(%ebp), %eax movl %eax, -12(%ebp) movl -8(%ebp), %eax movl %eax, -4(%ebp) movl -12(%ebp), %eax movl %eax, -8(%ebp) movl -4(%ebp), %eax movl %eax, 4(%esp) movl $LC0, (%esp) call _printf movl -8(%ebp), %eax movl %eax, 4(%esp) movl $LC1, (%esp) call _printf movl $1, %eax leave ret .def _printf; .scl 3; .type 32; .endef 範例：將 swap.s 組合語言檔修改後儲存為 swap_asm.s .file "swap.c" .def ___main; .scl 2; .type 32; .endef .section .rdata,"dr" LC0: .ascii "x=%d\12\0" LC1: .ascii "y=%d\12\0" .data x: .long 5 y: .long 3 t: .long 0 .text .globl _main .def _main; .scl 2; .type 32; .endef _main: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl $24, %esp andl $-16, %esp movl $0, %eax addl $15, %eax addl $15, %eax shrl $4, %eax sall $4, %eax movl %eax, -16(%ebp) movl -16(%ebp), %eax call __alloca call ___main movl x, %eax movl %eax, t movl y, %eax movl %eax, x movl t, %eax movl %eax, y movl x, %eax movl %eax, 4(%esp) movl $LC0, (%esp) call _printf movl y, %eax movl %eax, 4(%esp) movl $LC1, (%esp) call _printf movl $1, %eax leave ret .def _printf; .scl 3; .type 32; .endef 在讀懂了組合語言程式 (swap.s) 的意義之後，我們就可以修改該組合語言，試著在其中加上一些指令。 由於C語言編譯器使用堆疊暫存器 esp與框架暫存器 ebp 作為變數的存取點，這對我們來說並不容易理解。因此，筆者將 swap.c 編譯後的組合語言 swap.s 修改為 swap_asm.s，用自己定義的 x, y, t 變數，取代原先的版本。然後，我們再利用 gcc 組譯 swap_asm.s 檔，結果其輸出與 swap.s 一模一樣，這顯示了我們的修改方式是正確的。以下是筆者的編譯與修改過程，讀者也可自行測試看看。 範例： 將 C 程式 swap.c 編譯為組合語言並修改的過程 $ gcc -S swap.c -o swap.s … 修改 swap.s 為 swap_asm.s $ gcc swap.s -o swap.o $ ./swap.o x=3 y=5 $ gcc swap_asm.s -o swap_asm.o $ ./swap_asm.o x=3 y=5 從以上的過程，我們可以看到 GNU 組合語言的語法，其中，我們修改的組合語言如範例 4.23所示。其中，我們在資料段 (.data) 中宣告了 x, y, t 等三個變數，並且分別設定初值，而在程式段中，我們利用暫存器 eax 作為中介，移動記憶體變數。例如，t=x 可以由 movl x,%eax與 movl %eax,t 等兩個指令完成。這就是程式的主要部分。接著，我們利用movl x, %eax, movl%eax, 4(%esp) 兩個指令，把 x 變數推入 printf 的參數區，再用 movl $LC0, (%esp) 指令把 "x=%d\n" 字串的指標推入參數區，然後才利用 call _printf指令呼叫 printf 函數。這就是該程式的主要邏輯。 範例：組合語言檔 swap_asm.s 經過修改的片段 .data x: .long 5 ; int x = 5, y = 3, t; y: .long 3 ; … t: .long 0 ; … ; movl x, %eax ; t=x; movl %eax, t ; movl y, %eax ; x=y; movl %eax, x ; movl t, %eax ; y=t; movl %eax, y ; movl x, %eax ; 將 x 放入參數區 movl %eax, 4(%esp) ; movl $LC0, (%esp) ; 將 "x=%d\n" (LC0) 放入參數區 call _printf ; printf("x=%d\n",x); movl y, %eax ; 將 y 放入參數區 movl %eax, 4(%esp) ; movl $LC1, (%esp) ; 將 "y=%d\n" (LC1) 放入參數區 call _printf ; printf("y=%d\n",y); … ; … 透過編譯器產生組合語言的方式，系統程式設計師可以使用如上的修改法，以設計組合語言，而不需要完全從頭開始，這種方法在嵌入式系統的開發過程當中也相當常見，例如，我們可以將效率不好的程式碼修改掉，以增進程式的效率，如此，系統程式人員就能更輕鬆的完成工作，而不需要從頭開始撰寫組合語言。 Facebook 留言 Facebook Wikidot Post preview: Close preview or Sign in as Wikidot user (will not be published) - + Help: wiki text quick reference 授權 本網頁的作者、授權與引用方式 作者 陳鍾誠，於金門大學資訊工程系，電子郵件：wt.ude.uqn|ccc#wt.ude.uqn|ccc，網站：http://ccckmit.wikidot.com。 授權 本文採用創作共用 (Creative Common) 3.0 版的 姓名標示─非商業性─相同方式分享 授權條款，歡迎轉載或修改使用，但若做為商業使用時必須取得授權，引用本文時請參考下列格式。 中文版 (APA格式) 陳鍾誠 (11 Oct 2010 07:30)，(網頁標題) 組合語言 — 使用 GNU 工具轉換 C 為組合語言後再修改，(網站標題) 陳鍾誠的網站，取自 http://ccckmit.wikidot.com/as:c2asm ，網頁修改第 0 版。 英文版 (APA格式) Chung-Chen Chen (11 Oct 2010 07:30), Retrieved from http://ccckmit.wikidot.com/as:c2asm , Page Revision 0.