操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告2

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

• 了解 Linux 下 x86 匯編語言編程環(huán)境；
• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) Blum’s Book: Sample programs in Chapter 04, 05 (Moving Data)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境

• 架構(gòu)：Intel x86_64 (虛擬機(jī))
• 操作系統(tǒng)：Ubuntu 20.04
• 匯編器：gas (GNU Assembler) in AT&T mode
• 編譯器：gcc

技術(shù)日志

Chapter 04

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)cpuid.s

程序的源代碼略。

1.構(gòu)建一般可執(zhí)行程序：

執(zhí)行程序命令：

as -o cpuid.o cpuid.s ld -o cpuid cpuid.o ./cpuid

執(zhí)行結(jié)果如下：

The processor Vendor ID is 'GenuineIntel'

執(zhí)行截圖：

2.使用編譯器進(jìn)行匯編：

將原程序代碼中的：

.globl _start _start:

改為：
.globl main
main:

安裝32位的gcc庫：

sudo apt-get install libc6-dev-i386

執(zhí)行程序命令：

gcc cpuid.s -m32 -o cpuid

執(zhí)行結(jié)果如下：

The processor Vendor ID is 'GenuineIntel'

執(zhí)行截圖：

3.使用gdb運(yùn)行程序：

執(zhí)行程序命令：

as -gstabs -o cpuid.o cpuid.s ld -o cpuid cpuid.o gdb cpuid

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：

一開始在程序開始處設(shè)置斷點(diǎn),然后輸入run運(yùn)行，輸入命令next\n\step\s可以看見單步調(diào)試程序，輸入cont程序直接運(yùn)行完畢，輸出

The processor Vendor ID is 'GenuineIntel'

重新輸入run，輸入s單步執(zhí)行至cpuid語句，輸入info registers，可以看見所有寄存器中的值，再輸入s執(zhí)行至下一語句，輸入info registers，可以看見寄存器中值的變化，可以看見，在執(zhí)行cpuid語句前寄存器rbx，rcx，rdx的值都為0，執(zhí)行cpuid后，它們包含從廠商ID字符串得來的值。

print/x $ebx, print/x $edx,print/x $ecx分別以十六進(jìn)制形式顯示寄存器ebx,edx和ecx中的值，可以看到，寄存器ebx中的值為0x756e6547，寄存器edx中的值為0x49656e69，寄存器ecx中的值為0x6c65746e。

x/42cd &output以字符變量的形式顯示變量output的前42個(gè)字節(jié)

gdb基本指令總結(jié)：

break *_start:在程序開始處設(shè)置斷點(diǎn) break *end:在程序結(jié)束處設(shè)置斷點(diǎn) run:在gdb內(nèi)運(yùn)行啟動(dòng)程序(碰到斷點(diǎn)便停止) step/s/next/n:單步調(diào)試程序 cont:使程序繼續(xù)運(yùn)行 info registers:顯示全部寄存器的值 print:顯示某一寄存器或變量的值 print/d:顯示十進(jìn)制的值 print/t:顯示二進(jìn)制的值 print/x:顯示十六進(jìn)制的值 x/nyz:顯示特定內(nèi)存位置的值,n是要顯示的字段數(shù),y是輸出格式,z是要顯示字段的長度

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)cpuid2.s

在程序的源代碼開頭之前加上：

.code32

并安裝程序運(yùn)行所需32位庫：

sudo apt-get update sudo apt install lib32z1 lib32ncurses5 g++-multilib libc6-dev-i386

執(zhí)行程序命令：

as --32 -o cpuid2.o cpuid2.s ld -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -o cpuid2 -lc cpuid2.o ./cpuid2

執(zhí)行結(jié)果如下：

The processor Vendor ID is 'GenuineIntel'

執(zhí)行截圖：

---

Chapter 05

定義數(shù)據(jù)元素

數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段是最常見的定義數(shù)據(jù)元素的位置。用于存儲(chǔ)項(xiàng)目的特定內(nèi)存位置，可以被程序的指令碼引用，并且可以被隨意讀取和修改，在數(shù)據(jù)段中定義數(shù)據(jù)時(shí)，它必須被包含在可執(zhí)行程序中，因?yàn)橐锰囟ㄖ党跏蓟?/p>

bss段：在bss段定義數(shù)據(jù)元素?zé)o須聲明特定的數(shù)據(jù)類型，不需要初始化，內(nèi)存區(qū)域被保留在運(yùn)行時(shí)使用，并且不必包含在最終的程序中。

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)sizetest1.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as -o sizetest1.o sizetest1.s ld -o sizetest1 sizetest1.o ls -al sizetest1

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：可執(zhí)行程序文件的總長度為4640字節(jié)

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)sizetest2.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as -o sizetest2.o sizetest2.s ld -o sizetest2 sizetest2.o ls -al sizetest2

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：在bss段聲明添加了10000字節(jié)的緩沖區(qū)后，可執(zhí)行程序文件的總長度為4800字節(jié)，比原來只增加了160字節(jié)，說明在bss段聲明數(shù)據(jù)不必包含在可執(zhí)行程序中。

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)sizetest3.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as -o sizetest3.o sizetest3.s ld -o sizetest3 sizetest3.o ls -al sizetest3

執(zhí)行結(jié)果如下：

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-goPlbdyE-1626174832894)(http://stugeek.gitee.io/operating-system/Labwork2-pictures/8.png)]

分析：用.fill命令在數(shù)據(jù)段聲明添加了10000字節(jié)的緩沖區(qū)后，可執(zhí)行程序文件的總長度為18880字節(jié)，比原來增加了14240字節(jié)，.fill命令使匯編器自動(dòng)地創(chuàng)建了10000個(gè)數(shù)據(jù)元素，使它比必要的長度大了很多，說明在數(shù)據(jù)段定義數(shù)據(jù)時(shí)，其必須被包含在可執(zhí)行程序中。

傳送數(shù)據(jù)元素

MOV指令基本格式：

movx source, destination

source和destination可以是內(nèi)存地址，存儲(chǔ)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)值，指令語句中定義的數(shù)據(jù)值，或者是寄存器

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)movetest1.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as -gstabs -o movtest1.o movtest1.s ld -o movtest1 movtest1.o gdb -q movtest1

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：可以看到，執(zhí)行了movl value, %ecx命令后，內(nèi)存中存儲(chǔ)的值1被傳送到了ecx寄存器，ecx寄存器的值從原來的0變成了1，內(nèi)存位置中的值被傳送到了另一寄存器中

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)movetest2.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as -gstabs -o movtest2.o movtest2.s ld -o movtest2 movtest2.o gdb -q movtest2

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：一開始查看value中的值，發(fā)現(xiàn)初始值為1，單步執(zhí)行程序，一直到eax寄存器中的值被傳送給了value內(nèi)存中的位置后，再次查看value中的值，發(fā)現(xiàn)值為100，寄存器中的值被傳送到了內(nèi)存位置中

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)movetest3.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as --32 -o movtest3.o movtest3.s ld -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -lc -o movtest3 movtest3.o ./movtest3

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：程序遍歷了values標(biāo)簽指定的數(shù)據(jù)數(shù)組，用edi寄存器作為遍歷數(shù)組用的變址，每個(gè)值顯示后，edi寄存器的值被遞增，依次從10每次增加5打印到60

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)movetest4.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as -gstabs -o movtest4.o movtest4.s ld -o movtest4 movtest4.o gdb -q movtest4

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：程序開始時(shí)，首先查看values標(biāo)簽引用的內(nèi)存位置中存儲(chǔ)的值，前4個(gè)元素為10，15，20，25。

然后單步運(yùn)行程序，發(fā)現(xiàn)第一個(gè)元素從values數(shù)組中加載到eax寄存器，即10，現(xiàn)在eax寄存器中的值為10。

繼續(xù)單步執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)values標(biāo)簽引用的內(nèi)存地址加載到了edi寄存器中，下一條指令又將100傳送到了edi寄存器保存的地址之后4字節(jié)位置的內(nèi)存地址，使用寄存器間接尋址，查看發(fā)現(xiàn)100保存到了values數(shù)組中的第二個(gè)元素的位置。

再下一條指令把數(shù)組的第二個(gè)元素加載到了ebx寄存器中，使用echo $?命令查看第二個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)組元素的值，也是100。

條件傳送指令

指令格式：

cmovx source, destination

其中x是一個(gè)或者兩個(gè)字母的代碼，表示將觸發(fā)傳送操作的條件，取決于EFLAGS寄存器的當(dāng)前值。

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)cmovetest.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as --32 -gstabs -o cmovtest.o cmovtest.s ld -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -lc -o cmovtest cmovtest.o ./cmovtest

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：寄存器ebx用來保存當(dāng)前找到的最大整數(shù)，然后數(shù)組元素被逐個(gè)加載到寄存器eax中，并且和寄存器ebx中的值比較，如果寄存器eax中的值更大，就用寄存器eax中的值代替寄存器ebx中的值。

程序一開始，數(shù)組的第一個(gè)值被加載到寄存器ebx中。為105，第二個(gè)值被加載到寄存器eax中，為235，運(yùn)行cmp和cmova指令，發(fā)現(xiàn)寄存器ebx寄存器中的值變成了更大的235，持續(xù)操作，直到數(shù)組的數(shù)全部被遍歷完，最后寄存器ebx中的數(shù)就是數(shù)組中的數(shù)的最大值，為315。

數(shù)據(jù)交換指令

基本指令：

XCHG:在兩個(gè)寄存器之間或者寄存器和內(nèi)存位置之間交換它們的值 BSWAP:反轉(zhuǎn)一個(gè)32位寄存器中的字節(jié)順序 XADD:交換兩個(gè)值并且把它們的總和存儲(chǔ)在目標(biāo)操作數(shù)中 CMPXCHG:把一個(gè)值和一個(gè)外部的 值進(jìn)行比較，并且交換它和另一個(gè)的值 CMPXCHG8B:比較兩個(gè)64位的值并且交換它們的值

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)swaptest.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as --gstabs -o swaptest.o swaptest.s ld -o swaptest swaptest.o gdb -q swaptest

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：程序在第一條movl指令后停止，查看寄存器ebx中的值，為0x12345678，單步執(zhí)行bswap指令后，顯示寄存器ebx中的值，為0x78563412，和原始值尾數(shù)順序相反。

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)cmpxchgtest.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as --gstabs -o cmpxchgtest.o cmpxchgtest.s ld -o cmpxchgtest cmpxchgtest.o gdb -q cmpxchgtest

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：在執(zhí)行cmpxchg指令前，寄存器ebx中的值為5，data中的值為10，執(zhí)行cmpxchg指令后，data中的值變?yōu)?，寄存器ebx中的值被傳送到data的內(nèi)存位置

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)cmpxchg8btest.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as -gstabs -o cmpxchg8btest.o cmpxchg8btest.s ld -o cmpxchg8btest cmpxchg8btest.o gdb -q cmpxchg8btest

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：cmpxchg8b data使data引用一個(gè)內(nèi)存位置，其中的8字節(jié)值會(huì)與寄存器edx和寄存器eax進(jìn)行比較，如果目標(biāo)值和edx:eax中包含的值匹配，就把位于ecx:ebx中的64位值傳送給目標(biāo)內(nèi)存位置，如果不匹配，就把目標(biāo)內(nèi)存位置地址中的值加載到edx:eax寄存器對(duì)中，從輸出可以看出，ecx:ebx中的值確實(shí)傳送給了data目標(biāo)內(nèi)存位置

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)bubble.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as -gstabs -o bubble.o bubble.s ld -o bubble bubble.o gdb -q bubble

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：程序?yàn)槊芭菖判蛩惴?#xff0c;程序運(yùn)行前，values數(shù)組為亂序，程序運(yùn)行完畢后，values數(shù)組為升序排序

壓入數(shù)據(jù)和彈出數(shù)據(jù)

PUSH指令的簡單格式：

pushx source

其中x表示數(shù)據(jù)元素的長度，source是要放入堆棧的數(shù)據(jù)元素

POP指令的格式：

popx destination

其中x表示數(shù)據(jù)元素的長度，destination是接收數(shù)據(jù)的位置

• 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)pushpop.s

程序的源代碼略。

執(zhí)行程序命令：

as --32 -gstabs -o pushpop.o pushpop.s ld -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -lc -o pushpop pushpop.o gdb -q pushpop

執(zhí)行結(jié)果如下：

分析：啟動(dòng)程序前，寄存器esp中的值為0xffffd0d0，當(dāng)執(zhí)行完所有的push指令后，寄存器esp中的值為0xffffd0be，開始的值和最后的值相差了18個(gè)字節(jié)，所有經(jīng)過push指令的操作數(shù)據(jù)加起來總長度也是18字節(jié)，說明執(zhí)行push操作時(shí)寄存器esp會(huì)遞減，指向堆棧新的起始位置。

遇到問題

1.一開始當(dāng)使用gcc運(yùn)行cpuid.s時(shí)，會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤：

原因是gcc庫是64位的，不能編譯運(yùn)行32位的程序

2.當(dāng)按照課本上命令運(yùn)行cpuid2.s，會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤：

原因是源代碼是32位的，在64位的系統(tǒng)上會(huì)生成64位的程序，運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生兼容性錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序無法運(yùn)行。

解決方法：

1.需要安裝32位的庫：

sudo apt-get install libc6-dev-i386

執(zhí)行程序命令改為：

gcc cpuid.s -m32 -o cpuid

執(zhí)行結(jié)果如下：

The processor Vendor ID is 'GenuineIntel'

執(zhí)行截圖：

2.可以將文件從64位強(qiáng)行編譯成32位的程序，然后再運(yùn)行。

在程序的源代碼開頭之前加上：

.code32

并安裝程序運(yùn)行所需32位庫：

sudo apt-get update sudo apt install lib32z1 lib32ncurses5 g++-multilib libc6-dev-i386

執(zhí)行程序命令改為：

as --32 -o cpuid2.o cpuid2.s ld -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -o cpuid2 -lc cpuid2.o ./cpuid2

執(zhí)行結(jié)果如下：

The processor Vendor ID is 'GenuineIntel'

執(zhí)行截圖：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统实验报告2：Linux 下 x86 汇编语言1的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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