4. Machine level representation basics (1)

Instructions Set Architecture

기기의 instructions과 states를 결정한다. 상태(레지스터 + 메모리) 

 

이를 구현하는 것이 

Microarchitecture (=cpu) 

동일 ISA에 대해 여러 microarchitecture가 존재한다!!! 

 

 

Classification of ISA

수많은 방식으로 구분되는데,  그중 가장 흔한 방식이 architectural complexity

 

1. CISC

Complex Instruction Set Computers

- 가변크기 명령어 

- 복잡하지만 코드 사이즈는 작음 

ex ) x86, x86-64 (intel, AMD) 

2. RISC

Reduced Instruction Set Computers 

- 명령어 단순

- 고정크기 명령어 → 보통 4 바이트 

ex) ARM, MIPS, RISC-V

 

Instuction

1.  Opcode 

operator 작동 구체화 

메모리와 레지스터 사이 데이터를 이동 (mov) 

산술 함수 수행함 → 레지스터/메모리 데이터 (add, sub) 

Branch to another location in the program.. 실행흐름 변경 ( jmp , call, io) 

 

2. Operands 

매개변수 특정화 

Literal (상수 변수)

Registers

Memory address

 

 

 

Machine State

= 레지스터 + 메모리 상태

ARU나 Cache는 transparent화 된다! ↔ vertual

 

x86-64 Registers

1) 가장 basic한 general purpose registers

- 각각의 레지스터는 

64비트 quad word

32비트 double word

16비트 word

8비트 byte  

→ legacy compatibility 

 

2) Other registers

 

%rip : 포인터 레지스터. 특수목적 레지스터로 다음 명령 수행 주소를 나타낸다

%rflag : 플래그 레지스터 . 상태정보를 담고 있는 레지스터  → 상태코드 

%rsp : 스탭 포인터 

 

※ 오리지널 8086 은 16 비트 → 여전히 8비트 지원 

※ 32비트는 IA32 를 extension 

 

argument 

1. %rdi 2. %rse 3. %rdx  ... 4. %rcx 5. %r8 6. %r9

→ 6개 초과한 추가적인 argument는 스택에 저장된다. stack → 메모리

%rax → return value

 

 

Compiling into Assembly 

1.어셈블리어로 파일을 생성하는 c 컴파일러 사용

어셈블리(중간단계)는 machine-level execution model의 핵심이다. 

하드웨어는 오직 binary representation 만 이해하기 때문에! 

$gcc -S ex.c -Og -fcf-protection=none

→ .s 확장자로 저장된 어셈블리 코드

정적분석 - 메모리, 변수값, 스택상태 알수 없음.

프로그램 실행 x

 

 2. GNU gdb

$gcc -c -Og ex.c -fcf-protection=none

- intel x86-64 수많은 예외와 보호기능 있음. 적절한 옵션을 통해 이것들을 무시한다. 

ex )  -fno-stack-protector, -fcf-protection=none, -mno-red-zone

-c : 소스파일을 오브젝트 파일로 생성. 링킹단계는 수행하지 않기 때문에 실행파일이 생성되지는 않는다. 

→ 명령어 확장자가 .o인 오브젝트 파일 생성 

동적분석 - 메모리, 변수값, 스택, 레지스터 상태 알 수 있음.

프로그램 실행 O

$gcc -c -Og ex.c -fcf-protection=none
$(gdb) ex.o
(gdb) disas func

→ 명령어 단위로 register와 memory  상태 추적 low-level debugging

 

3. Disassembly

$gcc -c -Og ex.c -fcf-protection=none
$objdump -d ex.c

 

.o 오브젝트 파일 

링킹 과정 포함. 컴파일된 바이너리 코드가 실제로 어떤 기계어로 처리되었는지 확인 가능 

 

 

Assembly-code syntax

ATT format AT&T 

→ 리눅스. macOS

$objdump -d ex.o

 

Intel format

→ 윈도우 

$objdump -M intel -d ex.o
//-M intel of att

Difference between att and intel format

operand order : mov src dst (att 소스먼저)  mov dst src(intel 목적지 먼저)

register prefixes : 레지스터 이름 앞 %

memory access notation : att 는 (), intel 은 []

 

 

→ binary value는 att든 intel이든 같다!!