ret指令与call指令的深入理解

背景

1、代码

2、编译

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gcc Rj45.c -o Rj45 -m32


3、反编译

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objdump -d Rj45 -M intel

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0804840b <main>:
 804840b:	8d 4c 24 04          	lea    ecx,[esp+0x4]
 804840f:	83 e4 f0             	and    esp,0xfffffff0
 8048412:	ff 71 fc             	push   DWORD PTR [ecx-0x4]
 //从上述汇编代码可以看到，在底层中，main函数并不如我们接触的编程语言一样，为程序运行时第一个执行函数，还有函数在main函数前执行。
 8048415:	55                   	push   ebp
 8048416:	89 e5                	mov    ebp,esp
 8048418:	51                   	push   ecx
 8048419:	83 ec 04             	sub    esp,0x4
 804841c:	83 ec 0c             	sub    esp,0xc
 804841f:	68 c0 84 04 08       	push   0x80484c0//压入参数`hello,Rj45`所存储的地址
 8048424:	e8 b7 fe ff ff       	call   80482e0 <puts@plt>//调用puts函数进行打印
 8048429:	83 c4 10             	add    esp,0x10//进行栈帧平衡
 804842c:	b8 00 00 00 00       	mov    eax,0x0
 8048431:	8b 4d fc             	mov    ecx,DWORD PTR [ebp-0x4]
 8048434:	c9                   	leave  
 8048435:	8d 61 fc             	lea    esp,[ecx-0x4]
 8048438:	c3                   	ret    //puts函数返回
 8048439:	66 90                	xchg   ax,ax
 804843b:	66 90                	xchg   ax,ax
 804843d:	66 90                	xchg   ax,ax
 804843f:	90                   	nop

4、问题
在反汇编的过程中，有两个比较关键的地方：call和ret。
在《汇编语言(第3版)》中对这两个指令的概述为：

1
call和ret指令都是转移指令，它们都修改IP，或同时修改CS和IP。它们经常被共同用来实现子程序的设计，也即是调用和返回。

其中ret指令用栈中的数据，修改IP的内容，实现近转移。
而call指令将IP或者CS和IP压入栈中，实现转移。
还有retf指令，用栈中的数据，修改CS和IP的内容，实现远转移。

那么，如何理解这个概述，以及如何理解从概述延申出来的概念性的知识

什么是转移指令？

1、概念
转移指令是可以控制CPU执行内存中某处代码的指令，或者说，转移指令是可以修改IP，或同时修改CS和IP的指令。

根据转移行为可分为段内转移和段间转移，其中只修改IP的叫段内转移；同时修改CS和IP的，叫段间转移。

由于转移指令对IP或CS和IP的修改范围的不同，又分为短转移、近转移和远转移。

2、分类

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无条件转移指令，如jmp
条件转移指令，如jz
循环指令，如loop
过程
中断

什么是CS和IP？

CS是代码段寄存器、IP是指令指针寄存器。
（8086CPU有四个段寄存器，CS、DS、SS、ES，当CPU要访问内存是由这四个段寄存器提供内存单元的段地址。）
这两个寄存器是8086CPU中最关键的寄存器，它们指示了CPU当前要读取指令的地址。

CS和IP如何指示CPU读取指令的地址？

8086机器中，任意时刻，CPU将CS:IP指向的内容当作指令执行。
意思是，任意时刻，设CS中的内容是M，IP中的内容为N，8086CPU将从内存M*16+N单元开始，读取一条指令并执行。


解释：
CPU当前的状态是CS内数据为2000H,IP内为0000H
内存20000到20009H单元存放着可执行的机器码

1、CPU将从内存2000H*16+0000H出读取指令执行，其中将CS和IP内容送入地址加法器，地址加法器完成后，得到物理地址=段地址*16+偏移地址。

2、地址加法器将物理地址送人输入输出控制电路，输入输出控制电路将物理地址20000H送上地址总线。

3、从内存20000H单元开始存放的机器指令B8 23 01即mov ax,0123H通过数据总线被送入CPU。

4、输入输出控制电路将机器指令送入指令缓冲器，接着到执行控制器。执行控制器执行指令后，AX内的内容为0123H。

5、读取一条指令后，IP中的值会自动增加，以使CPU可以读取下一个指令。因当前读取的指令B8 23 01的长度为3，故IP的值加3,CS:IP指向内存单元2000:0003。

6、以此依次执行。

什么是段地址和偏移地址？

什么是段？段的划分来自于CPU，而不是内存，内存没有分段。
由于8086CPU的内存的物理地址=段地址*16+偏移地址，故使得在管理内存的时候借助了分段的概念，将若干个地址连续的内存单元看作一个段。

什么是段地址和偏移地址？
这是8086CPU对内存读写图

CPU的两个相关部件提供两个16位地址、段地址和偏移地址。
段地址和偏移地址通过内部总线送到地址加法器。
地址加法器通过物理地址=段地址\*16+偏移地址，合成20位物理地址。
输入输出电路将物理地址送上地址总线。
故段地址和偏移地址也即CS内地址数据和IP内地址数据。

ret指令与call指令实现了什么功能？

1、ret指令用栈中的数据，修改IP的内容，返回代码段的第一条指令。
相当于

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pop IP

2、call指令将IP或者CS和IP压入栈中，实现转移。
相当于

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2
3
push IP
//push IP和push CS
jmp [address]

3、retf指令，用栈中的数据，修改CS和IP的内容，返回代码段的第一条指令。
相当于

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2
pop IP
pop CS

以ret和call实现的子程序源程序的框架

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assume cs:code
code segment
    main:   :
            :
            call sub1//调用子程序sub1
            :
            mov ax,4c00h
            int 21h
    sub1:   :
            :
            call sub2//调用子程序sub2
            :
            ret//子程序返回
    sub2:   ://子程序sub2开始
            :
            ret//子程序返回
code ends
end main

解释：
一个写有一定功能的程序段叫子程序。
在子程序需要被执行的时候用call指令去调用。
当子程序执行完后，由于call指令后面的指令的地址已经存储在栈中(push操作)，
使得在子程序后面再使用ret指令时候，栈中的数据会设置IP内的值，
IP内的值的设置实现了CPU继续执行call指令后面的代码指令，达到程序继续执行的目的。

参考

《汇编语言(第3版)》