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  • Windows X64汇编入门(1)

    最近断断续续接触了些64位汇编的知识,这里小结一下,一是阶段学习的回顾,二是希望对64位汇编新手有所帮助。我也是刚接触这方面知识,文中肯定有错误之处,大家多指正。
    文章的标题包含了本文的四方面主要内容:
    (1)Windows:本文是在windows环境下的汇编程序设计,调试环境为Windows Vista 64位版,调用的均为windows API。
    (2)X64:本文讨论的是x64汇编,这里的x64表示AMD64和Intel的EM64T,而不包括IA64。至于三者间的区别,可自行搜索。
    (3)汇编:顾名思义,本文讨论的编程语言是汇编,其它高级语言的64位编程均不属于讨论范畴。
    (4)入门:既是入门,便不会很全。其一,文中有很多知识仅仅点到为止,更深入的学习留待日后努力。其二,便于类似我这样刚接触x64汇编的新手入门。
      本文所有代码的调试环境:Windows Vista x64,Intel Core 2 Duo。

    1.  建立开发环境
    1.1  编译器的选择
        对应于不同的x64汇编工具,开发环境也有所不同。最普遍的要算微软的MASM,在x64环境中,相应的编译器已经更名为ml64.exe,随Visual Studio 2005一起发布。因此,如果你是微软的忠实fans,直接安装VS2005既可。运行时,只需打开相应的64位命令行窗口(图1),便可以用ml64进行编译了。
    名称:  1.jpg
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        第二个推荐的编译器是GoASM,共包含三个文件:GoASM编译器、GoLINK链接器和GoRC资源编译器,且自带了Include目录。它的最大好外是小,不用为了学习64位汇编安装几个G 的VS。因此,本文的代码就在GoASM下编译。

        第三个Yasm,因为不熟,所以不再赘述,感兴趣的朋友自行测试吧。
    不同的编译器,语法会有一定差别,这在下面再说。

    1.2  IDE的选择
        搜遍了Internet也没有找到支持asm64的IDE,甚至连个Editor都没有。因此,最简单的方法是自行修改EditPlus的masm语法文件,这也是我采用的方法,至少可以得到语法高亮。当然,如果你懒得动手,那就用notepad吧。
        没有IDE,每次编译时都要手动输入不少参数和选项,做个批处理就行了。

    1.3  硬件与操作系统
        硬件要求就是64位的CPU。操作系统也必须是64位的,如果在64位的CPU上安装了32位的操作系统,就算编译成功也无法运行程序。

    2.  寄存器的改变
        汇编是直接与寄存器打交道的语言,因此硬件对语言影响很大。先来看看x64与x32相比在硬件上多了什么,变了什么(图2)。
    名称:  2.jpg
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        X64多了8个通用寄存器:R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15,当然,它们都是64位的。另外还增加了8个128位XMM寄存器,不过通常用不着。
        X32中原有的寄存器在X64中均为扩展为64位,且名称的第一个字母从E改为R。不过我们还是可以在64位程序中调用32位的寄存器,如RAX(64位)、EAX(低32)、AX(低16位)、AL(低8位)、AH(8到15位),相应的有R8、R8D、R8W和R8B。不过不要在程序中使用如AH之类的寄存器,因为在AMD的CPU上这种用法会与某些指令产生冲突。

    3.  第一个x64汇编程序
        本节,我们开始编写自己的第一个x64汇编程序。在这之前,先讲一下calling convention的改变。
    3.1  API调用方式
        把Calling convention放在第一个讲,代表它的重要性。在32位汇编中,我们调用一个API时,采用的是stdcall,它有两个特点:一是所有参数入栈,通过椎栈传递;二是被调用的API负责栈指针(ESP)的恢复,我们在调用MessageBox后不用add esp,14h,因为MessageBox已经恢复过了。
    而在x64汇编中,两方面都发生了变化。一是前四个参数分析通过四个寄存器传递:RCX、RDX、R8、R9,如果还有更多的参数,才通过椎栈传递。二是调用者负责椎栈空间的分配与回收。
        下面给出一段代码,功能是显示一个简单的MessageBox,注意对RSP的操作:

    代码:
    ;示例代码1.asm
    ;语法:GoASM
    DATA SECTION
    text     db 'Hello x64!', 0
    caption  db 'My First x64 Application', 0
    
    CODE SECTION
    START:
    sub rsp,28h
    xor r9d,r9d
    lea r8, caption
    lea rdx, text
    xor rcx,rcx
    call MessageBoxA
    add rsp,28h
    ret
      

    ????    这段代码是在GoASM中编译,指令部分GoASM与ML64差不多,关键是一些宏的定义有差别。比如masm中的.code,在这里就成了CODE SECTION。下面再说区别,先编译。GoASM中编译分两步:
    (1)  编译:goasm /x64 1.asm
    (2)  链接:golink 1.obj user32.dll
        如果一些正常,命令行中应显示图3的内容。
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        运行一下,我们的第一个64位windows程序就运行了。
    名称:  4.jpg
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        GoASM还有一个特点是支持宏:ARG和INVOKE,使用这两个宏可以免除程序员自己对椎栈进行操作。不过初学吗,还是从基础掌握比较好。下面的一段代码相同的功能的MASM代码,注意看看区别。ML64至今仍不支持宏,所以每一步工作都要自己做。

    代码:
    ;示例代码2.asm
    ;语法:ML64
    extrn MessageBoxA: proc
    
    .data
    text     db 'Hello x64!', 0
    caption  db 'My First x64 Application', 0
    
    .code
    Main proc
    sub rsp,28h
    xor r9d,r9d
    lea r8, caption
    lea rdx, text
    xor rcx,rcx
    call MessageBoxA
    add rsp,28h
    ret
    
    Main ENDP
    end
      

    ????    编译这段代码的命令行是:ml64 2.asm /link /subsystem:windows /entry:Main user32.lib。如果正常,应该如图5显示那样。
    名称:  5.jpg
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        很有意思吧,在64位系统下,我们仍然调用user32的API。可能是名称用习惯了,微软自己都懒得改了吧。

    3.2  64位的椎栈
        代码中还有一处值得注意,那就是sub rsp,28h和add rsp,28h。28h这个数值是怎么来的呢?
    首先,x64中椎栈被扩展为64位;其次,我们在调用MessageBoxA时,要给四个参数外加一个返回地址留空间,因此8(位)*5=40=28h。
        另外一些小问题要注意,AMD64不支持push 32bit寄存器的指令,最好的方法就是push和pop都用64位寄存器。EM64T如何?看了下Intel的开发手册,各个指令都分三种情况:纯32位、纯64位和32与64位混合。下面是手册的片段:

    Opcode*      Instruction        64-Bit Mode       Compat/Leg Mode      Description
    FF /6         PUSH r/m16         Valid                 Valid            Push r/m16.
    FF /6         PUSH r/m32         N.E.                  Valid            Push r/m32.
    FF /6         PUSH r/m64         Valid                  N.E.           Push r/m64. 
    Default operand size 64-bits.

        没别的好方法,使用中多注意,尽量在64位程序中保用64位寄存器。

    4.  一些参考资料
        写完了第一个hello world,本文就此打住。本还想写一些内容,但掌握不深,留待下回吧。感觉有些资料不得不在第一篇文章中放出来,因为它们是现有学习x64汇编的最好教材了,文中很多代码和知识点也来自于这些资料。
    (1)《Moving to Windows x64》,出自:http://www.ntcore.com/Files/vista_x64.htm
    (2)GoASM的帮助文档,目前最好的64位汇编教程。出自:www.jorgon.freeserve.co.uk
    (3)《开始进行 64 位 Windows 系统编程之前需要了解的所有信息》,出自:http://www.microsoft.com/china/MSDN/library/Windev/64bit/issuesx64.mspx
    (4)来自CodeGurus的两篇文章
    《Assembler & Win64》,
    http://www.codegurus.be/codegurus/Programming/assembler&win64_en.htm
    《bout RIP relative addressing》
    http://www.codegurus.be/codegurus/Programming/riprelativeaddressing_en.htm
    (5)AMD开发手册
    (6)Intel开发手册,注意是新的《ntel® 64 and IA-32 Architectures software Developer's Manual》

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