GNU嵌入式汇编和get_free_page代码解读
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Linux内核：GNU嵌入式汇编和get_free_page代码解读
1. 楔子
get\_free\_page() 是内核代码中比较难以理解的一段代码，熟悉这段代码，对于我们熟悉和掌握内核中汇编代码有很大帮助，这里我们就对其代码实现进行仔细的阅读。2. 汇编基础知识
我们这里讲解几个本函数用到的汇编代码
- STOSL指令相当于将EAX中的值保存到 [ES]:EDI 指向的地址中，若设置了 EFLAGS 中的方向位置位(即在STOSL指令前使用STD指令)则EDI自减4，否则(使用CLD指令)EDI自增4
例如
cld;rep;stosl
cld设置edi或同esi为递增方向，rep做(%ecx)次重复操作，stosl表示edi每次增加4,然后将ax的内容保存到[ES]:EDI中 - repe和repne：前者是repeat equal，意思是相等的时候重复，后者是repeat not equal，不等的时候重复；每循环一次cx自动减一，重复cx次；
- scasb指令： 将[al] 中的内容和 es:[edi]中的内容进行比较，并且edi自动增加或减少，std则edi–；cld则edi++
- sall 指令： sall k,D 等价于 D = D << k 左移
3. GUN AS 参数语法
GNU 汇编代码中，对于输入/输出参数有些字符描述符，描述符的意义，作用分别如下
5. 代码解读
get_free_page 函数的目的是：寻找mem_map[0…(PAGING_PAGES-1)]中的空闲项，即mem_map[i]==0的项，如果找到，就返回其物理地址，找不到返回0，也就是NULL
代码实现如下
- register unsigned long __res asm(“ax”);
__res是寄存器级变量，值保存在ax寄存器中,就是说对__res的操作等于ax寄存器的操作 - __asm__(“std ; repne ; scasb\n\t”)
循环比较，找出mem_map[i]==0的页;
std设置DF=1，所以scasb执行递减操作，即每次edi–，指令涉及寄存器al, ecx, [es]:(e)di 三个寄存器，在函数尾部的定义中
:"=a" (__res)
:“0”(0),“i”(LOW_MEM),“c”(PAGING_PAGES),“D”(mem_map+PAGING_PAGES-1)
:“di”,“cx”,“dx”);
%0 是 ax寄存器
%1 al = 0, “0” 表示使用与上面同个位置的输出相同的寄存器，eax = 0, 即有 al = 0;
如果mem_map[i] == 0,表示为空闲页，否则为已分配占用,al保存0值，用于和[es]:edi比较
%2 LOW_MEM，低端内存标记，即1M
%3 ecx = PAGING_PAGES; 主内存叶表个数
%4 es:di = (mem_map+PAGING_PAGES-1); 内存管理数组最后一项
这句指令的意思是从数组mem_map[0…(PAGING_PAGES-1)]的最后一项 mem_map[PAGING_PAGES-1]开始，比较mem_map[i]是否等于0(0值保存在al寄存器中); 每比较一次,[es]:di值自动减1,如果不相等,[es]:di值减1,即mem_map[i–],继续比较,直到ecx==0; 如果相等，则跳出循环。跳出循环的时候，edi已经自动减1了，也就是说指向前面一个元素了。
-
“jne 1f\n\t” 如果mem_map[0…(PAGING_PAGES-1)]均不等于0, 跳转到标签1f处执行,Nf表示向前标签,Nb表示向后标签,N是取值1-10的十进制数字
-
“movb $1,1(%%edi)\n\t”
mem_map[i]==0是mem_map[0…(PAGING_PAGES-1)]中逆序第一个找到的等于0的目标，
将edi已经减1了,也就是已经指向了mem_map[i] = 0元素的前面一个元素了，这里加1就是重新指向mem_map[i] = 0 的起始地址上，即mem_map[i]=1,标志为该页已被占用，不是空闲位 -
“sall $12,%%ecx\n\t” 此时ecx保存的是mem_map[i]的下标i,即相对页面数（从LOW_MEM开始）
举例:
假设mem_map[0…(PAGING_PAGES-1)]最后一个参数
mem_map[PAGING_PAGES-1] == 0，即i == (PAGING_PAGES-1),
所以此时*ecx == PAGING_PAGES-1;
此时相对页面地址是4k*(PAGING_PAGES-1), 也就是(PAGING_PAGES-1) << 12 -
“addl %2,%%ecx\n\t” 加上低端内存地址，得到实际物理地址, %2等于LOW_MEM，在如下语句中定义"0" (0),“i” (LOW_MEM),“c” (PAGING_PAGES)
-
“movl %%ecx,%%edx\n\t”
将ecx寄存器的值保存到edx寄存器中，即将实际物理地址保存到edx寄存器中。 -
“movl $1024,%%ecx\n\t”
将1024保存到ecx寄存器中，因为每一页占用4096字节(4K), 每次写入4个字节，写入1024次 -
“leal 4092(%%edx),%%edi\n\t”,
取当前物理页最后一个字节的起始地址： 4096 = 4096-4 = 1023*4 = (1024-1)*4 。
将当前物理页最后一个字节的起始物理地址保存在edi寄存器中, 即ecx+4092处的地址保存在edi寄存器中。 -
“rep ; stosl\n\t” 从ecx+4092处开始，反方向，步进4字节，重复1024次，将该物理页1024项全部填入eax寄存器的值，在如下代码定义中，eax初始化为0(al=0,eax=0,ax=0)
:“0” (0),“i” (LOW_MEM),“c” (PAGING_PAGES),
所以该物理页项全部清零。 -
“movl %%edx,%%eax\n”，将该物理页面起始地址放入eax寄存器中，Intel的EABI规则中，eax寄存器用于保存函数返回值
-
“1:” 标签1，用于"jne 1f\n\t"语句跳转返回0值，
注意：eax寄存器只在"movl %%edx,%%eax\n"中被赋值，eax寄存器初始值是’0’，如果跳转到标签"1:"处，返回值是0，表示没有空闲物理页。 -
:"=a" (__res) 输出寄存器列表，这里只有一个，其中a表示eax寄存器
-
:“0” (0),“i” (LOW_MEM),“c” (PAGING_PAGES),
“0"表示与上面同个位置的输出相同的寄存器，即"0"等于输出寄存器eax，即eax既是输出寄存器，同时也是输入寄存器，当然，在时间颗粒度最小的情况小，eax不能同时作为输入或者输出寄存器，
只能作为输入或者输出寄存器;
“i” (LOW_MEM)是%2，从输出寄存器到输入寄存器依次编号%0，%1，%2…%N,
其中"i"表示立即数，不是edi的代号，edi的代号是"D”;
“c” (PAGING_PAGES)表示将ecx寄存器存入PAGING_PAGES，ecx寄存器代号"c"。 -
“D” (mem_map+PAGING_PAGES-1)
"D"使用edi寄存器，即edi寄存器保存的值是(mem_map+PAGING_PAGES-1)
即%%edi = &mem_map[PAGING_PAGES-1]。 -
:“di”,“cx”,“dx”);
保留寄存器，告诉编译器"di",“cx”,"dx"三个寄存器已经被分配，在编译器编译中，不会将这三个寄存器分配为输入或者输出寄存器。 -
return __res;
返回__res保存的值，相当于汇编的ret，隐含将eax寄存器返回，C语言中是显式返回。
附录： 常用汇编代码参考
汇编指令
GAS中每个操作都是有一个字符的后缀，表明操作数的大小。
| C声明 |
GAS后缀 |
大小(字节) |
| char |
b |
1 |
| short |
w |
2 |
| (unsigned) int / long / char* |
l |
4 |
| float |
s |
4 |
| double |
l |
8 |
| long double |
t |
10/12 |
注意：GAL使用后缀“l”同时表示4字节整数和8字节双精度浮点数，这不会产生歧义因为浮点数使用的是完全不同的指令和寄存器。
操作数格式：
| 格式 |
操作数值 |
名称 |
样例（GAS = C语言） |
| $Imm |
Imm |
立即数寻址 |
$1 = 1 |
| Ea |
R[Ea] |
寄存器寻址 |
%eax = eax |
| Imm |
M[Imm] |
绝对寻址 |
0x104 = *0x104 |
| （Ea） |
M[R[Ea]] |
间接寻址 |
（%eax）= *eax |
| Imm(Ea) |
M[Imm+R[Ea]] |
(基址+偏移量)寻址 |
4(%eax) = *(4+eax) |
| （Ea,Eb） |
M[R[Ea]+R[Eb]] |
变址 |
(%eax,%ebx) = *(eax+ebx) |
| Imm（Ea,Eb） |
M[Imm+R[Ea]+R[Eb]] |
寻址 |
9(%eax,%ebx)= *(9+eax+ebx) |
| (,Ea,s) |
M[R[Ea]*s] |
伸缩化变址寻址 |
(,%eax,4)= *(eax*4) |
| Imm(,Ea,s) |
M[Imm+R[Ea]*s] |
伸缩化变址寻址 |
0xfc(,%eax,4)= *(0xfc+eax*4) |
| (Ea,Eb,s) |
M(R[Ea]+R[Eb]*s) |
伸缩化变址寻址 |
(%eax,%ebx,4) = *(eax+ebx*4) |
| Imm(Ea,Eb,s) |
M(Imm+R[Ea]+R[Eb]*s) |
伸缩化变址寻址 |
8(%eax,%ebx,4) = *(8+eax+ebx*4) |
注：M[xx]表示在存储器中xx地址的值，R[xx]表示寄存器xx的值，这种表示方法将寄存器、内存都看出一个大数组的形式。
** 数据传送指令：**
| 指令 |
效果 |
描述 |
| movl S,D |
D <-- S |
传双字 |
| movw S,D |
D <-- S |
传字 |
| movb S,D |
D <-- S |
传字节 |
| movsbl S,D |
D <-- 符号扩展S |
符号位填充(字节->双字) |
| movzbl S,D |
D <-- 零扩展S |
零填充(字节->双字) |
| pushl S |
R[%esp] <-- R[%esp] – 4; M[R[%esp]] <-- S |
压栈 |
| popl D |
D <-- M[R[%esp]]； R[%esp] <-- R[%esp] + 4; |
出栈 |
注：均假设栈往低地址扩展。
算数和逻辑操作地址：
| 指令 |
效果 |
描述 |
| leal S,D |
D = &S |
movl地版，S地址入D，D仅能是寄存器 |
| incl D |
D++ |
加1 |
| decl D |
D-- |
减1 |
| negl D |
D = -D |
取负 |
| notl D |
D = ~D |
取反 |
| addl S,D |
D = D + S |
加 |
| subl S,D |
D = D – S |
减 |
| imull S,D |
D = D*S |
乘 |
| xorl S,D |
D = D ^ S |
异或 |
| orl S,D |
D = D | S |
或 |
| andl S,D |
D = D & S |
与 |
| sall k,D |
D = D << k |
左移 |
| shll k,D |
D = D << k |
左移(同sall) |
| sarl k,D |
D = D >> k |
算数右移 |
| shrl k,D |
D = D >> k |
逻辑右移 |
特殊算术操作：
| 指令 |
效果 |
描述 |
| imull S |
R[%edx]:R[%eax] = S * R[%eax] |
无符号64位乘 |
| mull S |
R[%edx]:R[%eax] = S * R[%eax] |
有符号64位乘 |
| cltd S |
R[%edx]:R[%eax] = 符号位扩展R[%eax] |
转换为4字节 |
| idivl S |
R[%edx] = R[%edx]:R[%eax] % S; R[%eax] = R[%edx]:R[%eax] / S; |
有符号除法，保存余数和商 |
| divl S |
R[%edx] = R[%edx]:R[%eax] % S; R[%eax] = R[%edx]:R[%eax] / S; |
无符号除法，保存余数和商 |
注：64位数通常存储为，高32位放在edx，低32位放在eax。
条件码：
条件码寄存器描述了最近的算数或逻辑操作的属性。
CF：进位标志，最高位产生了进位，可用于检查无符号数溢出。
OF：溢出标志，二进制补码溢出——正溢出或负溢出。
ZF：零标志，结果为0。
SF：符号标志，操作结果为负。
比较指令：
| 指令 |
基于 |
描述 |
| cmpb S2,S1 |
S1 – S2 |
比较字节，差关系 |
| testb S2,S1 |
S1 & S2 |
测试字节，与关系 |
| cmpw S2,S1 |
S1 – S2 |
比较字，差关系 |
| testw S2,S1 |
S1 & S2 |
测试字，与关系 |
| cmpl S2,S1 |
S1 – S2 |
比较双字，差关系 |
| testl S2,S1 |
S1 & S2 |
测试双字，与关系 |
访问条件码指令：
| 指令 |
同义名 |
效果 |
设置条件 |
| sete D |
setz |
D = ZF |
相等/零 |
| setne D |
setnz |
D = ~ZF |
不等/非零 |
| sets D |
D = SF |
负数 |
|
| setns D |
D = ~SF |
非负数 |
|
| setg D |
setnle |
D = ~(SF ^OF) & ZF |
大于（有符号>） |
| setge D |
setnl |
D = ~(SF ^OF) |
小于等于(有符号>=) |
| setl D |
setnge |
D = SF ^ OF |
小于(有符号<) |
| setle D |
setng |
D = (SF ^ OF) | ZF |
小于等于(有符号<=) |
| seta D |
setnbe |
D = ~CF & ~ZF |
超过(无符号>) |
| setae D |
setnb |
D = ~CF |
超过或等于(无符号>=) |
| setb D |
setnae |
D = CF |
低于(无符号<) |
| setbe D |
setna |
D = CF | ZF |
低于或等于(无符号<=) |
跳转指令：
| 指令 |
同义名 |
跳转条件 |
描述 |
| jmp Label |
1 |
直接跳转 |
|
| jmp *Operand |
1 |
间接跳转 |
|
| je Label |
jz |
ZF |
等于/零 |
| jne Label |
jnz |
~ZF |
不等/非零 |
| js Label |
SF |
负数 |
|
| jnz Label |
~SF |
非负数 |
|
| jg Label |
jnle |
~(SF^OF) & ~ZF |
大于(有符号>) |
| jge Label |
jnl |
~(SF ^ OF) |
大于等于(有符号>=) |
| jl Label |
jnge |
SF ^ OF |
小于（有符号<） |
| jle Label |
jng |
(SF ^ OF) | ZF |
小于等于(有符号<=) |
| ja Label |
jnbe |
~CF & ~ZF |
超过(无符号>) |
| jae Label |
jnb |
~CF |
超过或等于(无符号>=) |
| jb Label |
jnae |
CF |
低于(无符号<) |
| jbe Label |
jna |
CF | ZF |
低于或等于(无符号<=) |
转移控制指令（函数调用）：
| 指令 |
描述 |
| call Label |
过程调用，返回地址入栈，跳转到调用过程起始处，返回地址是call后面那条指令的地址 |
| call *Operand |
|
| leave |
为返回准备好栈，为ret准备好栈，主要是弹出函数内的栈使用及%ebp |
LEAVE指令是将栈指针指向帧指针，然后POP备份的原帧指针到%EBP
Leave等价于：
/* leave指令将EBP寄存器的内容复制到ESP寄存器中，
* 以释放分配给该过程的所有堆栈空间。然后，它从堆栈恢复EBP寄存器的旧值。
* /
movl %esp %ebp
popl %ebp
