1. 從一個(gè)獲取CPUID的小程序說起1.1 為什么選CPUID作為匯編入門案例很多人學(xué)匯編一上來就被各種寄存器、尋址方式、指令集給勸退了。我當(dāng)初也是抱著厚厚一本指令手冊(cè)啃了三天結(jié)果連個(gè)Hello World都寫不利索。后來一位做底層開發(fā)的朋友跟我說別急著啃手冊(cè)先找一個(gè)能跑起來的小程序把它拆碎了理解比看一百頁理論都管用。他當(dāng)時(shí)給我的就是這個(gè)獲取CPUID的程序。為什么選它因?yàn)镃PUID這條指令本身就很有意思——它是CPU提供給軟件的一扇窗口通過它你能直接問CPU你是誰你支持什么特性而實(shí)現(xiàn)這個(gè)問答過程只需要用到匯編里最核心的幾個(gè)概念寄存器傳參、指令調(diào)用、結(jié)果存儲(chǔ)、系統(tǒng)調(diào)用輸出。麻雀雖小五臟俱全。CPUID指令的基本用法是把功能號(hào)放進(jìn)EAX寄存器執(zhí)行CPUID指令然后CPU會(huì)把結(jié)果分別放到EAX、EBX、ECX、EDX四個(gè)寄存器里。比如EAX0時(shí)返回的是廠商ID字符串EAX1時(shí)返回的是處理器版本信息和特性標(biāo)志位。整個(gè)過程不涉及內(nèi)存分配、不涉及復(fù)雜算法就是純粹的寄存器操作特別適合用來理解匯編的工作方式。這個(gè)程序能做什么簡單說它能在Linux環(huán)境下運(yùn)行打印出你的CPU廠商信息、型號(hào)、支持的特性標(biāo)志。適合誰看如果你已經(jīng)會(huì)一門高級(jí)語言C、Python都行想了解程序在底層到底怎么跑的或者你正在學(xué)操作系統(tǒng)、編譯原理需要一點(diǎn)匯編基礎(chǔ)來打通任督二脈那這個(gè)案例就是為你準(zhǔn)備的。哪怕你之前完全沒碰過匯編跟著走一遍也能有個(gè)直觀感受。1.2 先搞清楚ATT匯編和Intel匯編的區(qū)別在動(dòng)手寫代碼之前有個(gè)坑必須先填上ATT匯編和Intel匯編是兩種不同的語法風(fēng)格寫錯(cuò)了編譯器直接報(bào)錯(cuò)而且報(bào)錯(cuò)信息往往讓人摸不著頭腦。最直觀的區(qū)別是操作數(shù)順序。Intel風(fēng)格是目標(biāo)在前源在后比如mov eax, 1意思是把1放到eax里。ATT風(fēng)格反過來是源在前目標(biāo)在后同樣的操作寫成movl $1, %eax。我第一次切換的時(shí)候因?yàn)轫樞蚋惴闯绦蚺艹鰜淼慕Y(jié)果完全不對(duì)排查了半天才發(fā)現(xiàn)是操作數(shù)順序的問題。另一個(gè)顯著區(qū)別是寄存器前面要加百分號(hào)%立即數(shù)前面要加美元符號(hào)$。Intel風(fēng)格里直接寫eax和1ATT風(fēng)格必須寫成%eax和$1。這個(gè)規(guī)則沒有例外忘了加符號(hào)編譯器會(huì)直接報(bào)錯(cuò)。還有指令后綴的問題。ATT匯編里指令后面要跟一個(gè)字母表示操作數(shù)大小b表示字節(jié)8位w表示字16位l表示雙字32位q表示四字64位。比如movl表示移動(dòng)32位數(shù)據(jù)movq表示移動(dòng)64位數(shù)據(jù)。Intel匯編通?？考拇嫫髅麃硗茢啻笮TT則要求你顯式寫出來。對(duì)比項(xiàng)Intel風(fēng)格ATT風(fēng)格操作數(shù)順序目標(biāo), 源源, 目標(biāo)寄存器前綴無%立即數(shù)前綴無$指令后綴通常無b/w/l/q內(nèi)存尋址[baseindex*scaledisp]disp(base,index,scale)我個(gè)人的建議是如果你主要看Linux內(nèi)核源碼或者GCC生成的匯編那就老老實(shí)實(shí)學(xué)ATT風(fēng)格因?yàn)檫@是Unix世界的普通話。如果你更習(xí)慣Windows下的開發(fā)環(huán)境Intel風(fēng)格可能更順手。但不管選哪個(gè)先把一種搞熟另一種看懂就行別兩種混著寫那是自找麻煩。2. 程序整體設(shè)計(jì)與思路拆解2.1 程序要完成哪些事情這個(gè)獲取CPUID的程序邏輯上分四步走第一步調(diào)用CPUID指令拿到廠商ID字符串第二步把拿到的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存緩沖區(qū)第三步把緩沖區(qū)的內(nèi)容打印到終端第四步正常退出程序。聽起來簡單但每一步都涉及匯編的核心概念。第一步考驗(yàn)的是對(duì)CPUID指令的理解——功能號(hào)怎么傳、結(jié)果放在哪。第二步考驗(yàn)的是內(nèi)存尋址——怎么把寄存器里的數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存里。第三步考驗(yàn)的是系統(tǒng)調(diào)用——Linux下怎么輸出字符串。第四步考驗(yàn)的是程序退出機(jī)制。我之所以強(qiáng)調(diào)這個(gè)四步拆解是因?yàn)楹芏喑鯇W(xué)者一上來就想寫完整程序結(jié)果寫到一半卡住了不知道哪出了問題。把步驟拆開每一步單獨(dú)驗(yàn)證出錯(cuò)了也容易定位。比如你可以先寫個(gè)只調(diào)用CPUID然后退出的程序用調(diào)試器看看寄存器里的值對(duì)不對(duì)確認(rèn)無誤后再加輸出功能。2.2 為什么用系統(tǒng)調(diào)用而不是C庫函數(shù)你可能會(huì)問為什么不用printf多方便啊。原因很簡單用printf就需要鏈接C庫程序的體積會(huì)變大而且你得理解調(diào)用約定、棧對(duì)齊這些額外概念。用系統(tǒng)調(diào)用syscall雖然原始一點(diǎn)但勝在直接——你直接告訴內(nèi)核我要輸出這段文字內(nèi)核就幫你輸出中間沒有黑盒。Linux下輸出字符串用的是write系統(tǒng)調(diào)用編號(hào)是1x86_64架構(gòu)下。調(diào)用方式是rax放系統(tǒng)調(diào)用號(hào)rdi放文件描述符1表示標(biāo)準(zhǔn)輸出rsi放字符串地址rdx放字符串長度然后執(zhí)行syscall指令。退出程序用的是exit系統(tǒng)調(diào)用編號(hào)是60rdi放退出碼。這種寄存器傳參syscall指令的模式是Linux下匯編程序與內(nèi)核交互的標(biāo)準(zhǔn)方式。理解了這一套你就能自己寫各種系統(tǒng)調(diào)用的小工具了比如讀文件、創(chuàng)建進(jìn)程、發(fā)送信號(hào)等等。2.3 內(nèi)存布局的規(guī)劃程序需要一塊內(nèi)存來存放CPUID返回的廠商ID字符串。廠商ID是12個(gè)字節(jié)比如GenuineIntel就是12個(gè)字符加上換行符和可能的結(jié)束符我分配了16個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū)。在匯編里分配內(nèi)存有兩種方式一種是用.bss段聲明未初始化的空間一種是用.data段聲明已初始化的數(shù)據(jù)。對(duì)于緩沖區(qū)用.bss段更合適因?yàn)椴恍枰跏贾?。聲明方式?section .bss .lcomm buffer, 16.lcomm表示本地公共符號(hào)分配16字節(jié)的零初始化空間。這塊內(nèi)存在程序加載時(shí)由內(nèi)核分配程序運(yùn)行時(shí)可以直接讀寫。注意緩沖區(qū)大小一定要留足余量。CPUID返回的廠商ID是12字節(jié)但如果你后續(xù)想擴(kuò)展程序比如加上型號(hào)字符串的輸出緩沖區(qū)就要相應(yīng)擴(kuò)大。我見過有人只分配了12字節(jié)結(jié)果寫入換行符的時(shí)候越界了程序直接崩潰。3. 核心細(xì)節(jié)解析與實(shí)操要點(diǎn)3.1 CPUID指令的詳細(xì)用法CPUID指令的完整語義是這樣的執(zhí)行前EAX寄存器存放功能號(hào)也叫l(wèi)eaf號(hào)。執(zhí)行后EAX、EBX、ECX、EDX四個(gè)寄存器分別存放返回結(jié)果。不同的功能號(hào)返回不同的信息。功能號(hào)0返回的是廠商ID字符串和最大功能號(hào)。廠商ID字符串的存放方式是EBX放前4個(gè)字節(jié)EDX放中間4個(gè)字節(jié)ECX放后4個(gè)字節(jié)。注意這個(gè)順序不是按EBX、ECX、EDX排的而是EBX、EDX、ECX。我第一次寫的時(shí)候按常規(guī)順序排結(jié)果打印出來是亂碼后來查手冊(cè)才發(fā)現(xiàn)這個(gè)反直覺的順序。功能號(hào)1返回的是處理器版本信息和特性標(biāo)志位。EAX的高4位是家族號(hào)低4位是型號(hào)EBX的高8位是品牌索引低8位是CLFLUSH行大小ECX和EDX是各種特性標(biāo)志位比如是否支持SSE、AVX等。功能號(hào)0x80000000返回?cái)U(kuò)展功能號(hào)的最大值功能號(hào)0x80000002到0x80000004返回處理器品牌字符串。如果你想獲取完整的CPU型號(hào)名稱需要依次調(diào)用這三個(gè)功能號(hào)每次拿16個(gè)字節(jié)拼起來就是48字節(jié)的品牌字符串。# 獲取廠商ID的代碼片段 movl $0, %eax # 功能號(hào)0 cpuid # 執(zhí)行CPUID # 此時(shí)EBX、EDX、ECX中存放廠商ID實(shí)操心得CPUID指令會(huì)破壞EAX、EBX、ECX、EDX四個(gè)寄存器的值。如果你在調(diào)用CPUID之前有其他數(shù)據(jù)存在這些寄存器里一定要先保存到棧上或內(nèi)存里。我當(dāng)初寫一個(gè)綜合程序的時(shí)候忘了保存EBX結(jié)果后面用到的變量全亂了排查了很久才找到原因。3.2 寄存器使用與保存策略在x86_64架構(gòu)下寄存器分為調(diào)用者保存caller-saved和被調(diào)用者保存callee-saved兩類。調(diào)用者保存的寄存器有RAX、RCX、RDX、RSI、RDI、R8-R11被調(diào)用者保存的有RBX、RBP、R12-R15。CPUID指令會(huì)修改RAX、RBX、RCX、RDX。其中RBX是被調(diào)用者保存寄存器按照約定如果你在函數(shù)中使用了RBX應(yīng)該先把它壓棧保存函數(shù)返回前再恢復(fù)。雖然我們這個(gè)程序是直接寫的沒有函數(shù)調(diào)用的概念但養(yǎng)成好習(xí)慣很重要。我的做法是在程序開頭把RBX壓棧程序結(jié)束前彈?；謴?fù)。這樣即使后續(xù)擴(kuò)展程序加入了函數(shù)調(diào)用也不會(huì)因?yàn)镽BX被破壞而出問題。pushq %rbx # 保存RBX # ... 程序主體 ... popq %rbx # 恢復(fù)RBX另外CPUID返回的廠商ID分散在三個(gè)寄存器里需要分別寫入內(nèi)存。寫入的時(shí)候要注意順序EBX的值寫到緩沖區(qū)偏移0處EDX的值寫到偏移4處ECX的值寫到偏移8處。這個(gè)順序不能錯(cuò)錯(cuò)了打印出來就是亂碼。3.3 系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)傳遞Linux x86_64的系統(tǒng)調(diào)用約定是這樣的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)放在RAX參數(shù)依次放在RDI、RSI、RDX、R10、R8、R9然后執(zhí)行syscall指令。返回值放在RAX。write系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)是RDI文件描述符RSI緩沖區(qū)地址RDX要寫入的字節(jié)數(shù)。exit系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)是RDI退出碼。這里有個(gè)細(xì)節(jié)write系統(tǒng)調(diào)用返回的是實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)如果出錯(cuò)返回負(fù)值。我們這個(gè)程序比較簡單不檢查返回值但實(shí)際項(xiàng)目中最好檢查一下確認(rèn)數(shù)據(jù)真的寫出去了。# write系統(tǒng)調(diào)用示例 movq $1, %rax # 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)1 write movq $1, %rdi # 文件描述符1 stdout movq $buffer, %rsi # 緩沖區(qū)地址 movq $13, %rdx # 寫入13字節(jié)12字節(jié)廠商ID 1字節(jié)換行 syscall注意緩沖區(qū)地址要用$buffer這種形式表示取buffer的地址。如果寫成buffer那就是取buffer里的內(nèi)容結(jié)果完全不對(duì)。這個(gè)坑我踩過程序編譯通過但運(yùn)行沒輸出后來用調(diào)試器一看RSI里放的是0因?yàn)閎uffer初始值是0。3.4 數(shù)據(jù)輸出格式的處理CPUID返回的廠商ID是12個(gè)字節(jié)的ASCII字符沒有結(jié)束符。直接輸出的話終端上會(huì)顯示12個(gè)字符然后緊接著下一行內(nèi)容看起來不整齊。所以我在緩沖區(qū)第12個(gè)字節(jié)處放了一個(gè)換行符ASCII碼10輸出的時(shí)候?qū)?3個(gè)字節(jié)這樣打印完廠商ID后會(huì)自動(dòng)換行。如果你想輸出更友好的格式比如CPU Vendor: GenuineIntel那就需要先輸出提示字符串再輸出廠商ID。提示字符串可以放在.data段里用.ascii或.asciz聲明。.section .data prompt: .ascii CPU Vendor: prompt_len . - prompt這里prompt_len . - prompt是匯編里常用的計(jì)算字符串長度的技巧。.表示當(dāng)前地址減去字符串起始地址就是字符串長度。這種方法比手動(dòng)數(shù)字符個(gè)數(shù)靠譜多了改字符串的時(shí)候不用同步改長度。4. 完整實(shí)操過程與核心環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)4.1 開發(fā)環(huán)境準(zhǔn)備我用的環(huán)境是Linux x86_64工具鏈?zhǔn)荊NU asgas和ld。如果你用的是其他Unix-like系統(tǒng)工具鏈名字可能略有不同但基本用法一致。檢查工具是否齊全as --version ld --version如果顯示版本信息就說明裝好了。沒裝的話在Debian系上用apt install binutils在Red Hat系上用yum install binutils。我建議再裝一個(gè)調(diào)試器gdb或者lldb都行。匯編程序出錯(cuò)的時(shí)候光看代碼很難定位問題用調(diào)試器單步執(zhí)行、查看寄存器值效率會(huì)高很多。gdb --version實(shí)操心得寫匯編的時(shí)候我習(xí)慣把編譯和鏈接寫成一個(gè)Makefile每次改完代碼直接make就行不用手動(dòng)敲兩遍命令。雖然這個(gè)程序很小但養(yǎng)成自動(dòng)化的習(xí)慣對(duì)后續(xù)寫大程序有幫助。4.2 完整代碼逐段解析下面是完整的程序代碼我按段拆開講解。.section .data # 這里暫時(shí)沒有需要初始化的數(shù)據(jù).data段存放已初始化的全局變量。這個(gè)程序暫時(shí)不需要但保留這個(gè)段聲明是個(gè)好習(xí)慣后續(xù)擴(kuò)展的時(shí)候直接在這里加數(shù)據(jù)就行。.section .bss .lcomm buffer, 16.bss段存放未初始化的數(shù)據(jù)。.lcomm buffer, 16分配16字節(jié)的本地公共空間標(biāo)簽是buffer。這塊空間在程序加載時(shí)被清零。.section .text .global _start.text段存放代碼。.global _start聲明_start為全局符號(hào)鏈接器會(huì)把它作為程序入口點(diǎn)。_start: # 第一步調(diào)用CPUID獲取廠商ID movl $0, %eax cpuid把0放入EAX執(zhí)行CPUID。執(zhí)行后EBX、EDX、ECX中存放廠商ID字符串。# 第二步把結(jié)果寫入緩沖區(qū) movl %ebx, buffer movl %edx, buffer4 movl %ecx, buffer8把EBX的值寫到buffer偏移0處EDX的值寫到偏移4處ECX的值寫到偏移8處。注意這里用的是movl因?yàn)槊總€(gè)寄存器是32位正好4字節(jié)。# 第三步在末尾添加換行符 movb $10, buffer12把ASCII碼10換行符寫到buffer偏移12處。movb表示移動(dòng)一個(gè)字節(jié)。# 第四步調(diào)用write系統(tǒng)調(diào)用輸出 movq $1, %rax movq $1, %rdi movq $buffer, %rsi movq $13, %rdx syscall系統(tǒng)調(diào)用號(hào)1write文件描述符1stdout緩沖區(qū)地址buffer寫入13字節(jié)12字節(jié)廠商ID 1字節(jié)換行。# 第五步調(diào)用exit系統(tǒng)調(diào)用退出 movq $60, %rax movq $0, %rdi syscall系統(tǒng)調(diào)用號(hào)60exit退出碼0。4.3 編譯、鏈接與運(yùn)行把上面的代碼保存為cpuid.s然后執(zhí)行as -o cpuid.o cpuid.s ld -o cpuid cpuid.o ./cpuid如果一切正常你會(huì)看到類似這樣的輸出GenuineIntel或者AuthenticAMD這取決于你的CPU廠商。注意如果你在64位系統(tǒng)上編譯但用了32位的指令可能會(huì)報(bào)錯(cuò)。比如movl %ebx, buffer在64位下buffer的地址是64位的但movl只移動(dòng)32位數(shù)據(jù)地址會(huì)被截?cái)?。正確的做法是用movq或者確保buffer在低4GB地址空間內(nèi)。我當(dāng)初就因?yàn)檫@個(gè)原因程序編譯通過但運(yùn)行時(shí)段錯(cuò)誤后來改成movl %ebx, buffer(%rip)才解決。4.4 用調(diào)試器驗(yàn)證每一步程序跑通了不代表你理解了每一步。我建議用gdb單步執(zhí)行一遍看看每個(gè)寄存器在每個(gè)步驟后的值。gdb ./cpuid (gdb) break _start (gdb) run (gdb) stepi (gdb) info registersstepi是單步執(zhí)行一條指令info registers查看所有寄存器的值。執(zhí)行完CPUID后看看EBX、EDX、ECX里是不是ASCII字符。比如EBX里應(yīng)該是Genu0x756e6547EDX里是ineI0x49656e69ECX里是ntel0x6c65746e。這種驗(yàn)證方式比盯著代碼看有效得多。我當(dāng)初就是通過調(diào)試器才發(fā)現(xiàn)廠商ID的存放順序是EBX、EDX、ECX而不是我以為的EBX、ECX、EDX。5. 常見問題與排查技巧實(shí)錄5.1 編譯鏈接報(bào)錯(cuò)速查錯(cuò)誤信息可能原因解決方法undefined symbol: _start沒有聲明.global _start在代碼開頭加.global _startinvalid instruction suffix指令后綴寫錯(cuò)檢查操作數(shù)大小補(bǔ)上b/w/l/qjunk at end of line注釋符號(hào)用錯(cuò)ATT匯編用#注釋不是//或;relocation truncated to fit地址超出范圍用(%rip)相對(duì)尋址或改用64位指令segmentation fault內(nèi)存訪問越界檢查緩沖區(qū)大小和寫入偏移5.2 運(yùn)行結(jié)果不對(duì)的排查思路如果程序能跑但輸出是亂碼按以下順序排查第一確認(rèn)CPUID的功能號(hào)是否正確。功能號(hào)0返回廠商ID功能號(hào)1返回版本信息。如果你把功能號(hào)搞錯(cuò)了拿到的數(shù)據(jù)自然不對(duì)。第二確認(rèn)寄存器到緩沖區(qū)的寫入順序。EBX寫偏移0EDX寫偏移4ECX寫偏移8。這個(gè)順序是Intel手冊(cè)規(guī)定的不能改。第三確認(rèn)輸出長度。廠商ID是12字節(jié)加上換行符是13字節(jié)。如果你寫12字節(jié)換行符不會(huì)輸出寫14字節(jié)會(huì)多輸出一個(gè)字節(jié)的垃圾數(shù)據(jù)。第四用調(diào)試器查看緩沖區(qū)內(nèi)容。在write系統(tǒng)調(diào)用之前設(shè)斷點(diǎn)用x/16xb buffer查看緩沖區(qū)里的原始字節(jié)確認(rèn)是不是ASCII字符。實(shí)操心得我排查這類問題的時(shí)候習(xí)慣先把輸出重定向到文件然后用xxd或od查看十六進(jìn)制內(nèi)容。終端有時(shí)候會(huì)把控制字符顯示成亂碼看不出問題。用十六進(jìn)制查看器就一目了然了。5.3 跨平臺(tái)兼容性注意事項(xiàng)這個(gè)程序是在Linux x86_64下寫的換到其他平臺(tái)需要調(diào)整。比如在32位Linux下系統(tǒng)調(diào)用號(hào)不同write是4exit是1寄存器名也不同EAX而不是RAX。在ARM架構(gòu)下指令集完全不一樣CPUID指令可能不存在需要用其他方式獲取CPU信息。如果你想讓程序在多個(gè)平臺(tái)下都能編譯可以用條件匯編#ifdef __x86_64__ # 64位代碼 #else # 32位代碼 #endif不過對(duì)于初學(xué)者來說我建議先把一個(gè)平臺(tái)搞熟別一開始就追求跨平臺(tái)。把x86_64下的CPUID程序吃透再去看其他架構(gòu)的對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)會(huì)容易很多。5.4 擴(kuò)展練習(xí)獲取更多CPU信息掌握了基本框架后可以嘗試擴(kuò)展程序獲取更多CPU信息。比如調(diào)用功能號(hào)1獲取處理器版本和特性標(biāo)志位調(diào)用功能號(hào)0x80000002到0x80000004獲取完整的品牌字符串解析特性標(biāo)志位判斷CPU是否支持SSE、AVX等指令集這些擴(kuò)展練習(xí)能幫你鞏固寄存器操作、內(nèi)存尋址、位運(yùn)算等匯編核心技能。我當(dāng)初就是通過不斷擴(kuò)展這個(gè)程序慢慢把匯編的常用指令都摸熟了。最后分享一個(gè)小技巧寫匯編的時(shí)候別怕代碼長。高級(jí)語言里一行代碼能搞定的事匯編里可能要寫十行。這是正常的不是你的問題。關(guān)鍵是每一步都要清楚自己在干什么寄存器里放的是什么內(nèi)存里存的是什么。想不清楚就畫圖把寄存器和內(nèi)存的狀態(tài)畫出來比在腦子里空想靠譜得多。