X86匯編程序可視調(diào)試虛擬機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

蘇 慶，吳偉民，黃 彪，劉沛昌，劉 聰

（廣東工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州510006）

0 引 言

程序可視化［1］作為科學(xué)計算可視化［2］的一個重要分支，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)于編程以及運(yùn)行環(huán)境可視化兩個方面［3］。目前，匯編語言編程在單片機(jī)應(yīng)用研發(fā)以及底層硬件驅(qū)動程序設(shè)計［4］開發(fā)等方面仍然存在普遍應(yīng)用。然而大多數(shù)匯編語言可視化編程開發(fā)工具僅局限于程序編輯可視化層次，并無將匯編語言的執(zhí)行過程進(jìn)行可視化呈現(xiàn)［5］，使得用戶未能深入觀察程序的執(zhí)行過程，大大影響了匯編程序的開發(fā)以及調(diào)試效率［6］。

由此，本文應(yīng)用虛擬機(jī)設(shè)計理論［7］以及可視化技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一個可視化匯編程序集成開發(fā)環(huán)境——X86VVM2［8］，該環(huán)境具備從匯編程序編輯到程序動態(tài)調(diào)試各階段進(jìn)行全面可視化的特征。

1 X86VVM2內(nèi)核

作為可視化匯編程序集成開發(fā)環(huán)境的一個重要組成部分，X86VVM2虛擬機(jī)內(nèi)核對X86匯編源程序進(jìn)行詞法分析、語法分析、異常處理等處理過程，將源程序翻譯成可被X86VVM2內(nèi)核執(zhí)行的機(jī)器碼指令。X86VVM2內(nèi)核主要有如下4個主要功能：

（1）仿真實(shí)現(xiàn)X86匯編指令功能：包括匯編語言指令集的語義實(shí)現(xiàn)。

（2）解釋執(zhí)行X86匯編指令：執(zhí)行X86匯編指令流。

（3）異常處理：對詞法分析、語法分析及執(zhí)行過程中遇到的異常進(jìn)行處理。為方便程序設(shè)計者準(zhǔn)確而快速地定位程序的錯誤，X86VVM2將各個階段出現(xiàn)異常或錯誤所對應(yīng)的源代碼行號直接反饋給用戶。

（4）可視化接口：按照模塊化的開發(fā)思想，對內(nèi)核進(jìn)行類封裝，并為可視化層提供接口，方便可視化層對X86匯編語言執(zhí)行過程可視化。

X86VVM2是一個采用寄存器處理器架構(gòu)的可視化匯編程序集成開發(fā)環(huán)境。該環(huán)境在內(nèi)核內(nèi)置堆棧，堆棧操作指令及函數(shù)的調(diào)用直接依靠此堆棧，從而提高內(nèi)核處理速度，同時降低數(shù)據(jù)處理時候的難度。X86VVM2內(nèi)核架構(gòu)如圖1所示。

圖1 X86VVM2內(nèi)核架構(gòu)

匯編器對X86匯編程序進(jìn)行匯編；虛擬內(nèi)存存放匯編過后可被虛擬機(jī)執(zhí)行的機(jī)器碼；棧中存放執(zhí)行push、pop等堆棧操作指令及call指令后的數(shù)據(jù)；虛擬CPU執(zhí)行虛擬內(nèi)存中的機(jī)器碼序列；符號表為機(jī)器碼生成、異常處理模塊及數(shù)據(jù)可視化提供原始信息。

X86VVM2首先將預(yù)編輯完畢的源程序存放到內(nèi)存的指定空間，經(jīng)詞法分析，語法分析等關(guān)鍵步驟，設(shè)置執(zhí)行程序的起始地址。虛擬機(jī)從起始地址開始執(zhí)行源程序。虛擬機(jī)解釋執(zhí)行一條指令時，可能需要進(jìn)行如下4個動作：

（1）取指 （Fetch）：根據(jù)當(dāng)前pc寄存器值取出虛擬內(nèi)存中所對應(yīng)的指令；

（2）譯碼 （Translate）：識別當(dāng)前指令的操作數(shù)；

（3）分派 （Dispatch）：執(zhí)行此條指令。

（4）停機(jī) （Halt）：當(dāng)遇到停機(jī)指令或者程序出錯時，虛擬機(jī)停止解釋執(zhí)行匯編程序。

2 X86VVM2可視化

基于Bednarik［9］等人提出的程序可視化流程及前人對程序可視化的研究，視X86VVM2內(nèi)核的相關(guān)數(shù)據(jù)為可視化的原始數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的可視化算法，將虛擬CPU寄存器值的變化及寄存器之間數(shù)據(jù)的交互、程序編輯、內(nèi)核棧中數(shù)據(jù)的動態(tài)變化及調(diào)試過程進(jìn)行可視化。

程序執(zhí)行時，通過內(nèi)核封裝的可視化接口，跟蹤內(nèi)核執(zhí)行的可視數(shù)據(jù)的變化，動態(tài)的反映在可視化界面中，從而實(shí)現(xiàn)源程序執(zhí)行過程的可視化。X86VVM2可視化功能主要包含如下幾個部分：

（1）CPU可視化：實(shí)現(xiàn)內(nèi)核CPU內(nèi)寄存器值的變化及寄存器之間數(shù)據(jù)交互的可視化。對于X86匯編語言，必須實(shí)現(xiàn)CPU寄存器的數(shù)據(jù)實(shí)時變化情況，包括各種通用寄存器、變址寄存器、堆棧寄存器、段寄存器、指令指針寄存器以及狀態(tài)標(biāo)志寄存器等。

（2）棧信息可視化：實(shí)現(xiàn)內(nèi)核棧中內(nèi)容的動態(tài)變換。X86匯編語言是基于棧式計算機(jī)模型定義，所以棧信息的實(shí)時顯示非常重要。

（3）數(shù)據(jù)信息可視化：顯示源程序中用戶自定義的邏輯段、變量、標(biāo)識符、子程序名稱以及函數(shù)的屬性。

（4）編輯可視化：向用戶提供程序代碼編輯交互界面，同時支持語法著色。同時，X86VVM2編輯可視化界面還支持?jǐn)帱c(diǎn)的動態(tài)設(shè)置。程序設(shè)計者只需要通過點(diǎn)擊編輯窗口最左邊的灰色框，即可在當(dāng)前點(diǎn)擊的位置設(shè)置斷點(diǎn)。

（5）調(diào)試可視化：通過可視化的人機(jī)交互設(shè)計，實(shí)現(xiàn)調(diào)試行為可視化。

X86VVM2整體執(zhí)行效果如圖2所示。圖中從左至右分別依次為CPU可視化窗口、堆棧信息顯示窗口、數(shù)據(jù)顯示窗口及編輯可視化窗口。可視界面中下面是信息顯示窗口，用于顯示程序異常提示信息及程序運(yùn)行的結(jié)果。

2.1 程序編輯可視化

X86VVM2采用類似于主流高級語言集成開發(fā)環(huán)境類似的著色方案，具有較高的用戶親和度。X86VVM2編輯可視化功能包括：語法著色、行號顯示及斷點(diǎn)設(shè)置：

（1）語法著色。為方便程序設(shè)計者編輯程序，X86VVM2對不同的單詞類型進(jìn)行語法高亮顯示。該著色方案以不同類型顏色值的十六機(jī)制表示形式區(qū)分各類單詞。其中關(guān)鍵字為0xFF00FF （棕色）；常量為0x0000FF （黑色）；偽碼為0x123456（粉紅色）；注釋為0x00FF00（綠色）；寄存器為0x00FF00（寶藍(lán)色）。

（2）行號顯示。X86VVM2直接將行號信息顯示在編輯可視化界面中。同時內(nèi)核運(yùn)行時，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行的指令定位代碼編輯框內(nèi)的指令，從而實(shí)現(xiàn)代碼跟蹤可視化。

（3）斷點(diǎn)設(shè)置。斷點(diǎn)功能是程序開發(fā)環(huán)境必須具備的基本程序調(diào)試功能。當(dāng)程序運(yùn)行過程中遇到斷點(diǎn)時，內(nèi)核首先獲取當(dāng)前設(shè)置斷點(diǎn)的行號信息，實(shí)現(xiàn)X86VVM2動態(tài)調(diào)試。

X86VVM2的編輯可視化窗口如圖3所示。X86VVM2對關(guān)鍵字、數(shù)字及注釋等進(jìn)行語法著色，同時在最左邊顯示當(dāng)前源代碼對應(yīng)的行號，方便了程序設(shè)計者對源代碼的閱讀，同時在圖中第20行和第27行出現(xiàn)的白色圓圈表示在當(dāng)前行設(shè)置斷點(diǎn)，圖中顯示的是向內(nèi)核發(fā)出連續(xù)執(zhí)行命令時，程序運(yùn)行暫停在第一個斷點(diǎn)，此時編輯框內(nèi)第20行的程序內(nèi)容被突出顯示。

圖2 X86VVM2集成開發(fā)環(huán)境界面

圖3 X86VVM2編輯可視化

2.2 CPU可視化

匯編程序具有直接訪問CPU寄存器的特點(diǎn)。X86VVM2的CPU信息可視化重點(diǎn)關(guān)注CPU內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)的變化及寄存器之間數(shù)據(jù)交互的動態(tài)可視化。寄存器數(shù)據(jù)的變化通過寄存器值紅色高亮的表現(xiàn)形式進(jìn)行體現(xiàn)；寄存器之間數(shù)據(jù)的交互按照CPU內(nèi)寄存器在可視化界的布局，用紅色箭頭來表示數(shù)據(jù)交互的方向性。同時X86VVM2還將內(nèi)核當(dāng)前執(zhí)行的指令顯示在CPU可視化窗口中。

X86VVM2CPU信息可視化運(yùn)行過程如圖4所示。中間藍(lán)色的豎線模擬表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，寄存器之間的數(shù)據(jù)交互就通過此線。圖中的兩個紅色箭頭表示數(shù)據(jù)傳遞的方向，最下方的內(nèi)容表示當(dāng)前運(yùn)行的指令 （在實(shí)際運(yùn)行時，該指令是紅色字體標(biāo)示）。對指令進(jìn)行分析可知，可視化界面箭頭所表示的數(shù)據(jù)傳遞的方向正確。

圖4 CPU可視化效果

2.3 棧信息可視化

標(biāo)準(zhǔn)X86匯編語言中，當(dāng)遇到堆棧操作指令或函數(shù)調(diào)用指令時，棧中數(shù)據(jù)會發(fā)生變化，因此，將棧中數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行可視化，方便程序設(shè)計者對匯編程序的調(diào)試。

圖5是某個程序運(yùn)行過程中X86VVM2棧信息可視化截圖。棧頂?shù)奈恢秒S著程序找涉及堆棧操作指令及函數(shù)調(diào)用指令所引起的棧中數(shù)據(jù)變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)棧的動態(tài)可視化。

2.4 程序調(diào)試可視化

調(diào)試可視化作為X86VVM2實(shí)現(xiàn)X86匯編語言執(zhí)行過程可視化中一個重要的模塊，程序設(shè)計者可以通過菜單或點(diǎn)擊工具按鈕的方式向內(nèi)核傳遞調(diào)試的動作。圖6展示的是X86VVM2的調(diào)試可視化接口。

X86VVM2采用指令中斷形式，程序設(shè)計者可以在編輯可視化界面設(shè)置斷點(diǎn)，內(nèi)核根據(jù)斷點(diǎn)設(shè)置的情況中斷指令的運(yùn)行。X86VVM2支持單步調(diào)試和連續(xù)調(diào)試兩種調(diào)試方式。調(diào)試過程中，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行指令的行號來判斷是否當(dāng)前行號是否在斷點(diǎn)數(shù)組中，如果存在則暫停指令的運(yùn)行，如果不存在，則連續(xù)運(yùn)行虛擬內(nèi)存中的指令。調(diào)試程序時，通過獲取存放在虛擬內(nèi)存中指令的行號信息，動態(tài)定位編輯框中的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)調(diào)試過程中代碼跟蹤可視化。

程序流程反映程序員的設(shè)計思路，所以無論是對程序流程作靜態(tài)可視化還是動態(tài)可視化，都可以起到協(xié)助程序員對設(shè)計思路的逐步形成以及求精、優(yōu)化的重要作用。其中程序流程靜態(tài)可視化可以為程序員優(yōu)化設(shè)計算法提供輔助；而程序流程動態(tài)可視化則可以迅速定位至程序熱點(diǎn)區(qū)域，以及該熱點(diǎn)區(qū)域在設(shè)計思路中的邏輯位置，對提高程序效率具有重要意義。

程序流程可視化［10］同時還為程序的調(diào)試和進(jìn)一步理解提供了一種重要的輔助手段。流程圖的自動生成無疑給程序編寫人員帶來了很大的便利。根據(jù)X86匯編語言的特點(diǎn)，為了更好地展示匯編函數(shù)調(diào)用的動作，X86VVM2實(shí)現(xiàn)了一個具有翻頁效果的流程圖，其實(shí)現(xiàn)過程分為以下3個步驟：

（1）基本塊劃分及建立鏈表。將源程序劃分為各個邏輯上獨(dú)立的模塊，并在內(nèi)核建立其相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使基本塊按順序連接起來，形成一條靜態(tài)鏈表。

（2）繪制主流程圖及子流程。從模塊鏈表中查找屬于主程序的模塊，并將其依次繪制于流程圖顯示界面；繼而從模塊鏈表中找出當(dāng)前子函數(shù)所對應(yīng)的模塊，并顯示在流程圖顯示界面中。

（3）分頁效果實(shí)現(xiàn)，函數(shù)調(diào)用或用戶點(diǎn)擊子函數(shù)時，流程圖界面顯示子程序流程，子函數(shù)運(yùn)行完時或用戶點(diǎn)擊主流程圖時，流程圖界面顯示主程序流程圖，實(shí)現(xiàn)流程圖的動態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)流程圖的翻頁。

2.4.1 模塊劃分及建立靜態(tài)鏈表

按照匯編指令是否影響程序執(zhí)行流程流程圖，將匯編指令分為見表1的5種類型。

表1 匯編指令分類

通過遍歷保存在虛擬內(nèi)存中的指令，建立起模塊靜態(tài)鏈表。建立X86VVM2模塊鏈表的算法描述如下：

（1）保存跳轉(zhuǎn)指令 （包括條件跳轉(zhuǎn)指令和無條件跳轉(zhuǎn)指令）的行號及其跳轉(zhuǎn)的地址 （即行號）。非函數(shù)調(diào)用其地址保存在m＿addrList數(shù)組中，函數(shù)調(diào)用的地址保存在m＿callArray數(shù)組中。

（2）對上述m＿addrList和m＿callArray數(shù)組中的內(nèi)容去掉重復(fù)值，并按小到大排序。

（3）重新遍歷虛擬內(nèi)存中的指令數(shù)組，填充各個模塊的信息，建立模塊鏈表。由于X86VVM2將模塊的5種類型都看作獨(dú)立的基本塊，因此m＿addrList［i］和m＿addrList［i＋1］都當(dāng)作一個模塊進(jìn)行處理，同時m＿addrList［i］和m＿addrList［i＋1］之間的內(nèi)容也當(dāng)作一個模塊。

例如對于下列匯編代碼片段：

假設(shè)已經(jīng)建立好指令數(shù)組。首先找出指令數(shù)組中jmp，call，jz指令所在的行號和跳轉(zhuǎn)地址，分別為3、7、11和6、15、10。將這些地址去掉重復(fù)值后進(jìn)行排序，結(jié)果為3，6，7，10，11，15。然后按照以排序好的數(shù)組將源程序分為多個模塊，數(shù)組相鄰兩項之間的數(shù)子組成一個模塊。如1—2，4—5，8—9，12—14。由于X86VVM2將每條跳轉(zhuǎn)指令都作為單獨(dú)的一個基本塊處理，所以上述代碼分為1—2，3，4—5，6，7，8—9，10，11，12—14，15共10個基本塊。

2.4.2 流程圖的繪制

流程圖的繪制包括主流程圖的繪制以及子流程圖的繪制。

在流程圖的繪制中，無條件轉(zhuǎn)移指令、函數(shù)調(diào)用指令以及返回指令共享同一中無條件轉(zhuǎn)移節(jié)點(diǎn)。流程圖的繪制過程算法如下：

（1）繪制程序開始節(jié)點(diǎn)。

（2）繪制當(dāng)前流程圖頁面確定的顯示模塊。

（3）如果入到子流程圖的入口，則進(jìn)入子流程圖的繪制。

（4）繪制結(jié)束節(jié)點(diǎn)。

（5）繪制開始節(jié)點(diǎn)、結(jié)束節(jié)點(diǎn)及模塊與模塊之間的連接。

在X86VVM2運(yùn)行過程中遇到函數(shù)調(diào)用時，流程圖界面顯示子程序流的流程圖，子函數(shù)運(yùn)行完時，流程圖顯示界面顯示主函數(shù)流程圖。X86VVM2的流程圖翻頁顯示效果借助棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)分為如下3個步驟：

（1）將當(dāng)前頁面繪制過程中保存的第一模塊的首地址壓棧 （push）。

（2）確定被調(diào)用的子函數(shù)。

（3）畫出子程序流程圖。

子程序調(diào)用返回時，將先出棧，然后畫出以此棧頂節(jié)點(diǎn)開始的主程序流程圖。

3 實(shí)驗與分析

以一個十六進(jìn)制形式向屏幕打印輸出十進(jìn)制數(shù)字的匯編程序print.asm為例，展示其代碼流程圖的可視化效果。

當(dāng)程序設(shè)計者使用單步運(yùn)行命令模式進(jìn)行調(diào)試時，首先缺省顯示print.asm主程序的流程圖，如圖7（a）所示。

實(shí)體粗線方框 （在實(shí)際運(yùn)行過程中，該方框為較醒目的紅色，易為方便用戶識別）表示的模塊指示當(dāng)前運(yùn)作的模塊，當(dāng)程序執(zhí)行至第6行，即調(diào)用show＿msg子函數(shù)時，則自動由主程序流程圖切換至show＿msg子函數(shù)的子程序流程圖，如圖7（b）所示。

由于X86VVM2的可視化流程圖功能向用戶提供不同粒度的可視化效果，令用戶可在程序調(diào)試過程中實(shí)時在不同層次的流程圖之間自由切換。

print.asm程序源代碼如下：

圖7 可視化流程圖效果

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用虛擬機(jī)構(gòu)建技術(shù)以及可視化技術(shù)構(gòu)建的匯編程序集成開發(fā)環(huán)境X86VVM2具有將匯編程序開發(fā)各個階段全面進(jìn)行可視化，以輔助用戶進(jìn)行可視編程以及調(diào)試的特性。而程序調(diào)試過程可視則提供不同粒度程序流程圖供程序設(shè)計者使用，并且與程序執(zhí)行過程密切結(jié)合，實(shí)時對比當(dāng)前程序執(zhí)行指令在邏輯視圖中的位置。

另一方面，X86VVM2采用自行開發(fā)的虛擬機(jī)內(nèi)核，可對匯編程序代碼片段直接解釋執(zhí)行，適用于軟件逆向工程后反匯編結(jié)果的動態(tài)跟蹤調(diào)試。

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