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ComputerSystems

LincZero大约 12 分钟

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寻址分析

汇编代码能直接操作地址，当然只能操作CPU寻址范围内的地址 像GPU中的非共享地址则无法直接操作，但获取可以依赖编写共享内存的部分的汇编代码来间接编辑或访问

寻址范围（8086 CPU）

几种存储单元

8086处理器 (x86鼻祖)：16位处理器

寻址空间：一共20跟寻址线，2^20=1MB的空间 (按道理16位寄存器的寻址范围是2^16=64KB，这里居然超了，被拓展多了4根线。当然段寄存器和IP寄存器都依旧是16位的)

存储单元之间的数据传输关系（mov）

4种数

内部 寻址范围

寄存器组

8086cpu内部寄存器结构图 （注意如果是32/64位寄存器，有的会多一个前缀，例如ip->rip，sp->rsp）

  • 通用寄存器 (General Register)
    • 数据寄存器 (Data Register)
      • AH|AL、AX累加器
      • BH|BL、BX基址寄存器
      • CH|CL、CX计数寄存器
      • DH|DL、DX数据寄存器
    • 变址/索引寄存器 (Index Register)
      • SI、源变址寄存器 (Source Index)
      • DI、目的变址寄存器 (Destination Index)
    • 指针寄存器 (Pointer Register)
      • BP、基址指针 (Base Pointer)
      • SP、堆栈指针 (Stack Pointer)
  • 控制寄存器 (Control Register)
    • IP、指令指针 (Index Pointer，而不是Internet Protocol)
    • FLAGS、标志寄存器 (Flags)
  • 段寄存器 (Segment Register)
    • CS代码段寄存器 (Code Segment)
    • DS数据段寄存器 (Data Segment)
    • ES扩展段寄存器 (Extended Segment)
    • SS堆栈段寄存器 (Stack Segment)
80x86可见寄存器组

image-20211110020325687

通用寄存器 (8086)

8086 16位寄存器：有8个16位通用寄存器，其中4个可以拆成2个8位寄存器

image-20211109192301811

通用寄存器 (64位)

64位通用寄存器：可以看到有很多的历史残留问题，导致命名不统一

IMG_20200924_063958
8个字节前4字节前2字节前1字节含义地址特征
%rax%eax%ax%al返回值r?x，e?x，?x，?l【rule1】
%rbx%ebx%bx%bl被调用者保存r?x，e?x，?x，?l【rule1】
%rcx%ecx%cx%cl第4个参数r?x，e?x，?x，?l【rule1】
%rdx%edx%dx%dl第3个参数r?x，e?x，?x，?l【rule1】
%rsi%esi%si%sil第2个参数r?i，e?i，?i，?l【rule2】
%rdi%edi%di%dil第1个参数r?i，e?i，?i，?l【rule2】
%rbp%ebp%bp%bpl被调用者保存r?p，e?p，?p，?l【rule3】
%rsp%esp%sp%spl栈指针（stack pointer）r?p，e?p，?p，?l【rule3】
————————————（前后8行分割线）
%r8%r8d%r8w%r8b第5个参数r?p，r?d，r?w，r?b【rule4】
%r9%r9d%r9w%r9b第6个参数r?p，r?d，r?w，r?b【rule4】
%r10%r10d%r10w%r10b调用者保存r?p，r?d，r?w，r?b【rule4】
%r11%r11d%r11w%r11b调用者保存r?p，r?d，r?w，r?b【rule4】
%r12%r12d%r12w%r12b被调用者保存r?p，r?d，r?w，r?b【rule4】
%r13%r13d%r13w%r13b被调用者保存r?p，r?d，r?w，r?b【rule4】
%r14%r14d%r14w%r14b被调用者保存r?p，r?d，r?w，r?b【rule4】
%r15%r15d%r15w%r15b被调用者保存r?p，r?d，r?w，r?b【rule4】

图表记法：（该死的，这命名好混乱，记不注，用时得查）

有含义的部分：（除了特别的几个，其他的就不记了，需要用再查，命名很混乱）

  • 8位的前8个寄存器：根据英文缩写来记
  • 16位部分：abcd，x和l。例如：高8位ah-high，低8位是al-low，结合起来是ax
  • 32位部分：前缀e：extended扩展
  • 64位部分：前缀r：row行，r8~r15。_dwb分别表示_/double/word/byte，分别是四字/双字/字/字节

新命名均r开头，后8个寄存器均r+数字开头

前四个寄存器均x/l结尾，前一个位为a/b/c/d

所有16个寄存器的低位部分都可以作为自己、字(16位)、双字(32位)、四字(64位)数字来访问

那么当复制和生成1、2、4字节时，对于高位的处理有两条规则（生成8字节时：没有剩余字节）

  • 生成1、2字节时：保留前面剩下的
  • 生成4字节时：高位的4字节置为0（该规则是作为从IA32到x86-64扩展的部分而使用的）

其他寄存器

标志寄存器（属于控制寄存器）

调试汇编时输入r可以看到末尾的标志寄存器状态。大小写分别表示1和0

eflags 0x00000082: id vip vif ac vm rf nt IOPL=0 of df if tf SF zf af pf cf
标志单词含义
CFCarry Flag进位
PFEven Flag偶数
AF
ZFZero Flag零标志
SFSign Flag符号位，负数位
TF
IF
DF
OFOverflow Flag溢出位

要结合Jcc（条件转移指令）来使用

jmp是直接跳转，而jcc是符合条件才会跳转

外部 寻址范围

寻址范围 - 全部

并不是显卡、BIOS等全部都映射到内存空间，只是将CPU寻址范围内的部分地址分配给其他设备

寻址范围(共1MB)分配给
0x00000~0x9FFFF64*11 = 640KB内存 DRAM
0xAFFFF~0xBFFFF64*02 = 128KB显卡（包括文字模式、图像模式在内的显示部分）
0xCFFFF~0xFFFFF64*04 = 256KB假装内存的BIOS（ROM芯片、显卡、硬盘等的BIOS）

寻址范围 - 内存 (IBM PC 5150)

IBM PC 5150中的ROM BIOS构成（历史残留）

内存范围(共640KB)分配给
0x0000~0x???? (最开头)未知BIOS产生的中断向量表以及BIOS的数据
(中间)未知其他
0x7c00~0x7FFF (最末端)1KB1024B大小的BootLoader

开机时DRAM内存空间的变化

  • (1) CPU收到RST信号，IP被强制定位到ROM，从ROM取指令和执行

  • (2) BIOS程序执行过程中，产生一个中断向量表的东西，DRAM被消耗了一部分

  • (3) BIOS执行完POST后，开始在外部存储设备中找BootLoader，并加载到内存里 而因为BootLoader将系统拉起来后内存就可以被释放了，所以它加载的位置在末端

    • 其中IBM PC 5150中支持的最小内存是32KB (0x0000~0x7FFF，8086则是64KB)

    • 其中BootLoader的Boot扇区也就是MBR扇区是512B，栈/数据是512B，共计1KB

    • 也就是BootLoader的位置在：32KB-1KB+1=0x7c00

寻址范围 - 内存 (8086)

从IBM PC 5150的32KB，后来内存扩展到1MB到现在的数GB，这个0x07c00的位置也没变

内存范围(共640KB)分配给
0x00000~0x07BFF (最开头)未知BIOS产生的中断向量表以及BIOS的数据
0x07C00~0x07DFF (非最末端)512B1024B大小的BootLoader
0x07E00~0x07FFF (非最末端)512B1024B大小的BootLoader
0x08000~0x9FFFF (最末端)未知其他
  • 查看内存中cpu寻址的范围
    • 和下面显卡的查看方式不同，内存在设备管理器中居然是不显示的！
    • 内存可能很大 (4/8/16/32GB)，但系统只给它分配几百MB的地址空间

寻址范围 - 显卡

这部分其实本质上就是内存，当时的显卡是集成显卡，没有独显。显然这部分的本质就是内存，可以当内存使用

显存范围(共128KB)分配给
0xA0000~0xAFFFF64KBEGA/VGA/XGA/XVGA 彩色图形
0xB0000~0xB7FFF32KBMono text video buffer 黑白文本
0xB8000~0xBFFFF32KBCGA/EGA + chroma text video buffer 彩色文本

  • 查看显存中cpu寻址的范围

    • Win+X > 设备管理器 > 显示适配器 > 选择你的显卡并双击 > 资源菜单 > 资源设置中可以看到分配给内存的显存范围
    • 显卡显存可能很大 (4/8/16/24GB)，但系统只给它分配几百MB的地址空间 我的电脑：显存大小24GB，专用8GB，共享16GB。分配的显存大小？？166∗4+16416^6*4+16^4 =64MB+64KB？？（应该是我算漏了，少了）

  • 显存分配原理

    • 看起来比较小，但可以作为地址映射出去
    • 例如使用256MB来映射4GB的显存，显卡也存在自己的汇编指令（可以切换映射到地址空间的显存等。话说Shared是吗）

寻址方法

寄存器寻址方法（8086分段机制）

8086分段机制：解决16位寄存器无法访问全部1MB地址空间的问题，而且程序重定位也变得简单（ROM-BIOS或操作系统可以进行调度）

内存偏移

  • 代码段和数据段是分别的两段连续的内存（冯诺依曼架构）
  • CS寄存器：代码段的开头。CS指定代码段基准地址、IP指定代码段偏移地址
  • DS寄存器：数据段的开头。DS指定数据段基准地址、增加相应的偏移地址来访问数据
  • CPU的IP存储的不是绝对物理地址，而是相对于CS的偏移。CPU访问通过段地址: 偏移地址的模式来

段地址：偏移地址（8086中16位寄存器如何存储20位的寻址范围 )

寻址问题

  • 8086 CPU 20位，总寻址范围：2^20=1MB
  • 8086寄存器仅16位，能存储地址的数量：2^16=64KB
  • 即寄存器不能存储CPU寻址范围内的所有地址？——此时需要段地址：偏移地址的寻址方式

解决方法

  • 两个16位寄存器

    • 段寄存器：ds，存物理地址 16字节对齐：每个段的起始地址，都必须是16的倍数
    • 偏移地址寄存器：ax，存逻辑地址

  • 寻址范围分段

    • 8086的1MB空间切分时
    • 最少可分16个段，每段64KB（1MB = 16x64KB = (2^4)x64KB）
    • 最多可分64K个段，每段16B
    • 实际使用过程中灵活性很大，可以分为16、32、64、128......65536个段

  • 使用

    • 逻辑地址 = 段地址:偏移地址 = 段地址左移4位+便宜地址 = 实际物理地址

    • 扩展思考：一个物理地址可能由多少个逻辑地址来表示？

      • 举例：设物理地址0x00010 (17)，此时两种

        段数逻辑地址
        160x0000::0x0010
        320x0000::0x0010
        ......0x0000::0x0010
        327680x0000::0x0010
        655360x0001::0x0000

      • 举例：设物理地址0xFFFFF，此时则比较麻烦，16-4+1=12种

代码段 - 汇编地址

PC是如何指导程序的位置呢？

汇编地址：

  • 编译时 汇编代码通过nasm编译成bin文件时，nasm会把汇编.asm当成一整个代码段， 里面的每一条指令都会有一个相对于代码头部的偏移地址，这个偏移地址就是汇编地址
  • 加载时 bin在虚拟机或真机上运行时，ROM-BIOS程序将Start.bin加载到内存。具体加载到内存的什么位置，视程序大小和内存闲置空间而定自动分配，分配好后该这段程序有了一个起始物理地址，该地址给CS (代码段寄存器)
  • 执行时 CPU按CS:IP (代码段寄存器：指令指针) 的逻辑地址去取指令

堆栈段 vs 数据段、代码段

栈段与代码段类似的

  • 代码段：CS (代码段寄存器) 保存代码段的基址，IP (指令指针) 保存相对于基址的偏移
  • 数据段：DS (数据段寄存器) 保存数据段的基址，ax等 (数据寄存器) 表示相对于基址的偏移
  • 栈段：SS (堆栈段寄存器) 保存代码段的基址，SP (堆栈指针) 保存相对于基址的偏移

区别

  • 内容不同
    • IP指向当前在运行的指令
    • SP也叫栈顶指针，指向栈顶
  • 方向不同
    • 栈的走向跟数据段或代码段不一样
    • 数据段和代码段：从内存低处向高处进行。例如代码从开始0x7c00，下条可能为0x7c02
    • 栈段：从内存高处向低处进行。push操作让sp减少，pop操作让sp增大

访问方式

原理

之前运行起来是在512字节的启动扇区写入，我们写的是BootLoader程序

  • CPU与统一编址设备之间使用mov存入寄存器并访问
  • CPU与独立编址设置之间使用in/out指令来访问，也是通过端口来访问的。端口本质是寄存器的代号

设备端口原理

  • 显卡、硬盘上都有自己的寄存器，8~16位不等
  • CPU读写不同的端口，实际上是在读写设备的寄存器
  • ICH (I/O Controler Hub)

使用汇编读取硬盘（寻址范围外）

计算机主硬盘分配了8个端口，0x1f0~1f7

从硬盘访问数据的方式

  • CHS (Cylinders Heads Sectors，柱面磁头扇区)：需要磁头、柱面和扇区的信息。但这种方式太过繁琐，而且像固态硬盘根本没有这些信息的也不适合
  • LBA (Logical Block Addressing，逻辑块寻址)：主流方式，比较快

虚拟内存

虚拟地址空间补充说明
内核虚拟内存【顶部区域】不允许应用程序读写和调用，必须通过调用内核来执行这些操作
用户栈
（往下增长）		运行时创建
【动态大小】每次调用函数栈增长，函数返回时栈会收缩
↕
共享库的内存映射区域
（往上增长）		【动态大小】存放像C标准库和数学库这样共享库代码和数据的地方
↑
运行时堆
（往上增长）		运行时由malloc创建
【动态大小】调用malloc和free这样的C标准库函数时可动态扩展和收缩
读/写数据从hello可执行文件加载进来的程序代码和数据
只读的代码和数据【开始区域】从hello可执行文件加载进来的程序代码和数据