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  • 网络安全编程:x86汇编语言之寄存器

     

    任何程序的执行,归根结底,都是存放在存储器里的指令序列执行的结果。寄存器用来存放程序运行中的各种信息,包括操作数地址、操作数及运算的中间结果等。下面来熟悉各种寄存器。

    1. CPU工作模式

    x86体系的CPU有两种基本的工作模式,分别是实模式和保护模式。

    实模式也称为实地址模式,实现了Intel 8086处理器的程序设计环境。该模式被早期的Win 9x和DOS所支持。实模式下可以访问的内存为1MB。实模式可以直接访问硬件,比如直接对端口进行操作,对中断进行操作。现在的CPU仍然支持实模式,一是为了与早期的CPU架构保持兼容,二是因为所有的x86架构处理器都是从实模式引导起来的。

    保护模式是处理器主要的工作模式,Linux和Windows NT内核的系统都工作在x86的保护模式下。保护模式下,每个进程可以访问的内存地址为4GB,且进程间是隔离的。

    2. 基本寄存器

    寄存器是CPU内部的高速存储单元,访问速度比内存快得多,而价格也高很多(在单位价格内,寄存器的价格要比内存贵,内存要比硬盘贵)。CPU中,常用的寄存器分为4类,分别是8个通用寄存器、6个段寄存器、1个标志寄存器和1个指令指针寄存器,如图1所示。

    图1  x86处理器的基本寄存器

    (1)通用寄存器

    通用寄存器主要用于各种运算和数据的传送,每个寄存器都可以作为一个32位、16位或8位来使用,如图2所示。

    图2  通用寄存器示意图(一)

    对于图2来说,可以将一个寄存器分别当8位、16位或32位来使用。EAX寄存器可以存储32位的数据。EAX的低16位可以表示为AX,可以存储16位的数据。AX寄存器又可分为AH和AL两个8位的寄存器,AH对应AX寄存器的高8位,AL对应AX寄存器的低8位。

    只有数据存储寄存器可以按照这样的方式进行使用。由图1可知,数据存储寄存器有EAX、EBX、ECX和EDX 4个。

    (2)通用寄存器的使用方式及特殊用途

    指针变址寄存器可以按照32位或16位进行使用,如图3所示。

    图3  通用寄存器示意图(二)

    对于图3来说,只可以将一个寄存器分为32位或16位进行使用。ESI寄存器可以存储32位的指针,其中低16位可以表示为SI,存储16位的指针,但是无法像AX那样能拆分成高8位和低8位。

    各通用寄存器可以使用的方式如图4所示。

    图4  各通用寄存器可以使用的方式

    关于通用寄存器中有部分寄存器有特殊用途:

    ① EAX在乘法和除法指令中被自动使用;

    ② CPU自动使用ECX作为循环计数器;

    ③ ESP寻址堆栈(准确地讲,应该是栈,其实“堆”是“堆”,“栈”是“栈”,就如同“刀剑”虽然合起来称呼,其实是两种不同的兵器)上的数据,ESP寄存器一般不参与算数运算,通常称为栈指针寄存器;

    ④ ESI和EDI通常用于内存数据的高速传送,被称为源指针寄存器和目的指针寄存器;

    ⑤ EBP由高级语言用来引用参数和局部变量,通常被称为栈帧基址指针寄存器。

    (3)指令指针寄存器

    指令指针寄存器EIP是一个32位的寄存器。在16位的环境中,其名称为IP。EIP寄存器通常保存着下一条要执行的指令的地址。下一条指令的地址为当前指令的地址加当前指令的长度。

    特殊(其实也算不上通常与特殊)情况是当前指令为一条转移指令,比如JMP、JE、LOOP等指令,会改变EIP的值,导致CPU执行指令产生跳跃性执行,从而构成分支与循环的程序结构。

    EIP中的值始终在引导CPU的执行。

    (4)段寄存器

    段寄存器被用于存放段的基地址,段是一块预分配的内存区域。有些段存放有程序的指令,有些则存放有程序的变量,另外还有其他的段,如堆栈段存放着函数变量和函数参数等。在16位CPU中,段寄存器只有4个,分别是CS(代码段)、DS(数据段)、SS(堆栈段)和ES(附加段)。

    在32位CPU中,段寄存器从4个扩展为6个,分别是CS、DS、SS、ES、FS和GS。FS和GS段寄存器也属于附加的段寄存器。

    (5)标志寄存器

    在16位CPU中,标志寄存器称为FLAGS(有的书上是PSW,即程序状态字寄存器)。在32位CPU中,标志寄存器也随之扩展为32位,被称为EFLAGS。

    关于标志寄存器,16位CPU中的标志已经满足于日常的程序设计所用,这里主要介绍16位CPU中的标志。标志寄存器如图5所示。

    图5  16位的标志寄存器

    图5说明,标志寄存器中的每一个标志位只占1位,而16位的标志寄存器并没有全部使用。16位的标志寄存器分为两部分,分别是条件标志和控制标志。

    条件标志寄存器说明如下。

    ① OF(Overflow Flag):溢出标志位,溢出时为1,否则为0。

    ② SF(Sign Flag):符号标志,运算结果为负时,为1,否则为0。

    ③ ZF(Zero Flag):零标志,运算结果为0时,为1,否则为0。

    ④ (Auxiliary carry Flag):辅助进位标志,记录运算时第3位(半字节)产生的进位,有进位时为1,否则为0。

    ⑤ (Parity Flag):奇偶标志,结果操作数中1的个数为偶数时,为1,否则为0。

    ⑥ CF(Carry Flag):进位标志,产生进位时为1,否则为0。

    控制标志寄存器说明如下。

    ① DF(Direction Flag):方向标志,在串处理指令中用于控制方向。

    ② IF(Interrupt Flag):中断标志。

    ③ TF(Trap Flag):陷阱标志。

    在日常的使用过程中,较为常用的标志有CF、PF、ZF、SF、DF和OF。

    16位CPU中的标志在32位CPU中继续使用,32位扩展了4个新的标志位。

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