嵌入式處理器P2020機(jī)器碼程序到C語(yǔ)言源程序的溯源方法

謝文光，李琪，馬春燕,*，汪克念，尹偉，張濤

1. 中國(guó)民航大學(xué) 適航學(xué)院 民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300300

2. 航空工業(yè)無(wú)線電電子研究所, 上海 200241

3. 西北工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院, 西安 710072

目前，電信、軍事以及工業(yè)嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域均要求確保機(jī)器碼程序和C源程序的功能一致性，以防止編譯過(guò)程中插入非C源程序中要求的例外功能，影響嵌入式系統(tǒng)可靠性和安全性[1]。例如民用飛機(jī)機(jī)載軟件通常采用RTCA/DO-178C作為適航符合性方法。對(duì)于A級(jí)軟件(即安全水平最高的研制保證等級(jí)軟件)[2]，RTCA/DO-178C要求實(shí)現(xiàn)機(jī)器碼程序到源程序的追溯性。

PowerPC P2020[3]處理器在航空嵌入式軟件系統(tǒng)和其他嵌入式領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。C語(yǔ)言應(yīng)用程序需要在PC平臺(tái)X86處理器上通過(guò)C語(yǔ)言編譯器進(jìn)行編譯[4]，生成可以在PowerPC P2020處理器上執(zhí)行的機(jī)器碼程序。本文以RTCA/DO-178C中的適航要求[5]作為研究的出發(fā)點(diǎn)，以PowerPC P2020處理器的機(jī)器碼程序作為溯源的需求，假設(shè)編譯器在編譯過(guò)程中可能會(huì)插入例外代碼，通過(guò)追溯機(jī)器碼程序和C源程序的溯源關(guān)系，降低安全關(guān)鍵軟件存在的風(fēng)險(xiǎn)和不穩(wěn)定因素。

目前溯源方法需要程序員人工分析并建立映射關(guān)系，分析難度高、效率低。提升機(jī)器碼程序和C源程序溯源關(guān)系的自動(dòng)化程度是目前研究的熱點(diǎn)之一。Brauer等[6]通過(guò)判斷機(jī)器碼和源代碼的控制流圖是否同構(gòu)，提出了一種使用抽象解釋驗(yàn)證部分機(jī)器碼和源代碼可追溯性分析的技術(shù)。Boccardo等[7]利用調(diào)用圖的大小、函數(shù)數(shù)量、控制流圖的頂點(diǎn)和邊的數(shù)量4個(gè)特性，提出了一種使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)關(guān)聯(lián)源代碼和機(jī)器碼的方法，但是，該方法實(shí)現(xiàn)的機(jī)器碼的溯源關(guān)系精確性有待提高。文獻(xiàn)[8]采用程序分析技術(shù)建立知識(shí)庫(kù)，并對(duì)源代碼進(jìn)行分析，以揭示所使用的變量、算術(shù)操作、邏輯操作、關(guān)系操作和控制結(jié)構(gòu)等參數(shù)。Rapita 公司和GmbH 公司[9-10]分別研制了源碼到機(jī)器碼追溯的可視化工具，靜態(tài)分析C代碼和匯編代碼程序，從分支、函數(shù)、內(nèi)存分配等角度，驗(yàn)證源代碼到機(jī)器碼的追溯關(guān)系。文獻(xiàn)[11]討論了從源代碼到機(jī)器碼追溯涉及的相關(guān)技術(shù)，但未給出具體追溯方法。文獻(xiàn)[12]根據(jù)源代碼的典型語(yǔ)法結(jié)構(gòu)及代碼子集，生成源碼、匯編代碼交叉對(duì)照列表，但未給出函數(shù)體中機(jī)器碼和源代碼的代碼行追溯方法。文獻(xiàn)[13]對(duì)惡意代碼可執(zhí)行文件進(jìn)行反匯編及分詞，利用Word2Vec對(duì)反匯編后的十六進(jìn)制碼進(jìn)行矢量化，搭建TextCNN深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行家族譜判定，但該方法僅根據(jù)已有的樣本來(lái)識(shí)別變體，可能導(dǎo)致溯源工作低效甚至無(wú)效。文獻(xiàn)[14]研究目前提出的惡意代碼的溯源技術(shù)，指出具有更高級(jí)威脅的惡意代碼檢測(cè)存在缺陷。文獻(xiàn)[15]將源代碼與機(jī)器碼的每一個(gè)語(yǔ)句映射到向量，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，逐句分析源代碼及機(jī)器碼之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[16-17]介紹了一種驗(yàn)證MC68020機(jī)器碼正確性的形式化方法，但是該研究并未涉及浮點(diǎn)型程序的驗(yàn)證。文獻(xiàn)[18]將GCC編譯器源代碼中的函數(shù)分為會(huì)修改輸入數(shù)據(jù)的函數(shù)和不會(huì)修改輸入數(shù)據(jù)的函數(shù)，人工對(duì)比輸入輸出數(shù)據(jù)檢測(cè)是否被插入惡意代碼，但效率較低。

基于以上研究背景，本文提出從文件、函數(shù)名、函數(shù)體代碼行3層次實(shí)現(xiàn)PowerPC P2020處理器機(jī)器碼程序與C源程序之間的溯源方法，與現(xiàn)有工作相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 方法更具有通用性，適用于不同語(yǔ)言、不同處理器型號(hào)之間溯源關(guān)系的研究，只需將 2.4.1 節(jié)中語(yǔ)言語(yǔ)法結(jié)構(gòu)到匯編語(yǔ)言指令序列映射規(guī)則的定義修改為相關(guān)語(yǔ)言及處理器匯編語(yǔ)言指令序列映射規(guī)則的定義即可。

2) 方法分析機(jī)器碼代碼行和源碼的溯源關(guān)系時(shí)，不局限于機(jī)器碼子集、關(guān)鍵語(yǔ)法特征、分支或函數(shù)等。

3) 方法可以提升溯源的自動(dòng)化程度，并研制落地的實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)溯源對(duì)比的目標(biāo)，節(jié)省人工勞動(dòng)。

4) 方法利用源代碼和機(jī)器碼之間語(yǔ)法和語(yǔ)義的等價(jià)性原理進(jìn)行溯源，更為精確可靠。

1 PowerPC P2020機(jī)器碼程序到C語(yǔ)言源程序的溯源需求

自頂向下分解C語(yǔ)言源碼和PowerPC P2020機(jī)器碼之間的溯源關(guān)系，可將C語(yǔ)言源碼和PowerPC P2020機(jī)器碼之間的映射需求分為3部分：

1) PowerPC P2020機(jī)器碼文件主名應(yīng)與C語(yǔ)言源碼文件主名溯源。

在編譯過(guò)程[19]中，編譯器會(huì)根據(jù)C源程序文件主名生成相同主名的PowerPC P2020機(jī)器碼文件。在映射函數(shù)及函數(shù)體前，需要先對(duì)生成的機(jī)器碼文件(.o文件)進(jìn)行檢查，建立文件之間的映射關(guān)系，以防在鏈接時(shí)引入未知的文件模塊。

2) PowerPC P2020機(jī)器碼文件中函數(shù)名應(yīng)與C語(yǔ)言源碼文件中的函數(shù)名溯源。

在文件主名一一映射的前提下，需要先對(duì)生成的機(jī)器碼文件中所有的函數(shù)名進(jìn)行檢查，建立函數(shù)名之間的映射關(guān)系，以防在鏈接時(shí)引入未知的函數(shù)模塊。

3) PowerPC P2020機(jī)器碼文件中的函數(shù)體代碼應(yīng)和C語(yǔ)言源碼文件中的函數(shù)體代碼溯源。

在文件主名與函數(shù)名一一映射的前提下，對(duì)生成的機(jī)器碼中所有的函數(shù)體進(jìn)行檢查，防止在編譯時(shí)引入未知的代碼行。

2 PowerPC P2020機(jī)器碼程序到C語(yǔ)言源程序的溯源

2.1 算法概覽

論文提出的溯源算法 CodeTraceBack的偽代碼如算法1。根據(jù)第1節(jié)的3層次映射需求，溯源算法CodeTraceBack包括3個(gè)子算法，即文件的溯源子算法、函數(shù)聲明的溯源子算法和函數(shù)體的溯源子算法。

算法1 溯源算法CodeTraceBack偽代碼

1) 文件溯源(偽代碼1～25行)：C源程序與PowerPC P2020機(jī)器碼程序經(jīng)預(yù)處理模塊處理后，獲取C源程序文件主名列表與PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件主名列表，對(duì)比得出C源程序與PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件主名的溯源關(guān)系，詳見2.2節(jié)。

2) 函數(shù)聲明溯源(偽代碼26～62行)：通過(guò)遍歷C源程序抽象語(yǔ)法樹[20]獲取函數(shù)名列表；通過(guò)遍歷PowerPC P2020機(jī)器碼程序匯編碼獲取函數(shù)名列表。對(duì)比兩項(xiàng)函數(shù)列表分析得出C源程序與PowerPC P2020機(jī)器碼程序函數(shù)名的溯源關(guān)系，詳見2.3節(jié)。對(duì)于函數(shù)可變參數(shù)的情況或其他錯(cuò)誤情況，如果導(dǎo)致函數(shù)聲明中形式參數(shù)和形式參數(shù)個(gè)數(shù)出現(xiàn)溯源問(wèn)題，由于形式參數(shù)會(huì)在函數(shù)體中的代碼行中使用，函數(shù)體溯源時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)與機(jī)器碼匯編指令集無(wú)法匹配的問(wèn)題。

3) 函數(shù)體溯源(偽代碼63～103行)：根據(jù)C源程序生成的抽象語(yǔ)法樹，結(jié)合論文定義的抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)與匯編指令集的映射規(guī)則，生成以函數(shù)為單位的期望匯編指令序列。同時(shí)，以函數(shù)為單位獲取機(jī)器碼程序?qū)?yīng)的實(shí)際匯編代碼序列。對(duì)比期望的匯編指令序列和編譯器生成的匯編代碼序列，即可得出C源程序與機(jī)器碼程序函數(shù)體的溯源關(guān)系，詳見2.4節(jié)。

2.2 PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件主名與源文件文件主名溯源

C源程序與PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件主名之間的溯源包括經(jīng)預(yù)處理獲取PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件主名名稱、C源程序文件主名名稱、建立追溯關(guān)系3個(gè)步驟。

1) 針對(duì)PowerPC P2020機(jī)器碼程序，預(yù)處理模塊解析其文件主名，去除文件名后綴，生成機(jī)器碼主名列表，標(biāo)記為targetFileNameSet,對(duì)應(yīng)偽代碼中第3行。

2) 針對(duì)C源程序，預(yù)處理模塊解析其文件主名，去除文件名后綴，生成源文件主名列表，標(biāo)記為sourceFileNameSet,對(duì)應(yīng)偽代碼中第2行。

3) 建立targetFileNameSet中文件主名到sourceFileNameSet中文件主名的追溯關(guān)系，標(biāo)記為ResultOfFileName。分析機(jī)器碼文件主名列表targetFileNameSet和源文件列表sourceFileNameSet中的文件主名是否相等。若匹配成功，將該文件主名對(duì)應(yīng)的文件目錄和文件主名存儲(chǔ)在ResultOfFileName中；若匹配失敗，則添加該文件主名至ResultOfFileName中，并標(biāo)注其未能追溯的結(jié)果，對(duì)應(yīng)偽代碼中4～23行。ResultOfFileName表格包含3列，即PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件主名所在的目錄、C源程序文件主名所在的目錄、文件主名和結(jié)果標(biāo)注。

2.3 PowerPC P2020機(jī)器碼程序函數(shù)聲明與源文件函數(shù)聲明的溯源

C源程序與PowerPC P2020機(jī)器碼程序函數(shù)名之間的溯源分為3個(gè)步驟，包括反匯編機(jī)器碼程序獲取機(jī)器碼函數(shù)名列表、通過(guò)語(yǔ)法分析獲取C源程序函數(shù)名列表，以及對(duì)比獲取機(jī)器碼函數(shù)名列表和C源程序函數(shù)名列表的溯源關(guān)系。

1) 針對(duì)PowerPC P2020機(jī)器碼程序，生成其所有函數(shù)名列表(偽代碼49～61行)。

偽代碼第50行通過(guò)編譯器套件中提供的“powerpc-linux-gnu-objdump-t”命令對(duì)PowerPC P2020機(jī)器碼程序進(jìn)行反匯編操作。PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件遵循ELF格式，偽代碼51～59行解析PowerPC P2020機(jī)器碼程序ELF格式中的符號(hào)表段(.symtab段)，識(shí)別函數(shù)名、函數(shù)名所在的行號(hào)以及該函數(shù)名所在的機(jī)器碼文件主名，構(gòu)造PowerPC P2020機(jī)器碼程序所有函數(shù)聲明的列表targetFuncNameSet(偽代碼第60行)。列表中的每個(gè)元素包括3個(gè)屬性信息：函數(shù)名、行號(hào)、機(jī)器碼文件主名。其中，機(jī)器碼文件主名是2.2節(jié)中機(jī)器碼程序成功映射的文件主名。

2) 針對(duì)C源程序，基于抽象語(yǔ)法樹生成其所有函數(shù)名列表(偽代碼31～48行)。

語(yǔ)法分析模塊可以利用開源工具Pycparser或其他自主研制的類似工具，生成C源程序文件的抽象語(yǔ)法樹(偽代碼第44行)。每個(gè)抽象語(yǔ)法樹的節(jié)點(diǎn)包含了語(yǔ)法結(jié)構(gòu)的名稱、子節(jié)點(diǎn)信息及其在C源程序中的行號(hào)信息。偽代碼第46行調(diào)用的getSourceFunc函數(shù)(偽代碼31～42行)遍歷抽象語(yǔ)法樹，搜索抽象語(yǔ)法樹中所有FuncDef節(jié)點(diǎn)(函數(shù)聲明節(jié)點(diǎn))，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的屬性信息，構(gòu)造C源程序所有函數(shù)聲明的列表sourceFuncNameSet(偽代碼第47行)。列表中的每個(gè)元素包括3個(gè)屬性信息：函數(shù)名、行號(hào)、源文件主名。其中，源文件主名是2.2節(jié)中機(jī)器碼程序成功映射的文件主名。

3) 建立PowerPC P2020機(jī)器碼程序函數(shù)名和C源程序函數(shù)名之間的追溯關(guān)系(偽代碼第62行)。

針對(duì)targetFuncNameSet和sourceFuncNameSet中機(jī)器碼文件主名和源文件主名一致的2個(gè)元素，利用偽代碼中的compareSets函數(shù)計(jì)算這2個(gè)元素的函數(shù)名是否相等。建立PowerPC P2020機(jī)器碼程序函數(shù)名和C源程序函數(shù)名之間的追溯關(guān)系列表，標(biāo)記為ResultOfFuncName，將匹配成功的函數(shù)名信息存入該表格中，表格包含6列，即targetFuncNameSet列表中的每個(gè)元素和sourceFuncNameSet列表中的每個(gè)元素，同時(shí)將未匹配成功的進(jìn)行標(biāo)注。

2.4 PowerPC P2020機(jī)器碼函數(shù)體代碼與源文件函數(shù)體代碼的溯源

C源程序與PowerPC P2020機(jī)器碼程序的函數(shù)體之間的溯源分為3個(gè)步驟，包括結(jié)合C源程序?qū)?yīng)的抽象語(yǔ)法樹與映射規(guī)則生成期望匯編指令序列、反匯編機(jī)器碼程序獲取實(shí)際的匯編代碼序列，以及獲取匯編代碼序列和期望匯編指令序列的溯源關(guān)系。其中，確定C源程序抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)生成期望匯編語(yǔ)言指令序列的規(guī)則是本文的核心關(guān)鍵技術(shù)。

本文建立了抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)映射到P2020期望匯編語(yǔ)言指令序列的規(guī)則庫(kù)，偽代碼第70行即當(dāng)遍歷到抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)時(shí)則調(diào)用該規(guī)則庫(kù)，利用規(guī)則庫(kù)中抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)與期望匯編指令序列之間關(guān)系的規(guī)則定義，生成源程序的期望匯編指令序列。2.4.1節(jié)將詳細(xì)闡述該抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)映射到PowerPC P2020匯編語(yǔ)言指令序列的規(guī)則庫(kù)定義。

2.4.1 C程序語(yǔ)法結(jié)構(gòu)到PowerPC P2020匯編

語(yǔ)言指令序列映射規(guī)則的定義

抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)包含23類，由于論文篇幅所限，本文僅列出函數(shù)類、流程控制類、跳轉(zhuǎn)類、運(yùn)算類等較為常用的抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)，詳細(xì)闡述它們到PowerPC P2020匯編語(yǔ)言指令序列映射規(guī)則的定義。完整的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)、語(yǔ)義及對(duì)應(yīng)的P2020匯編代碼序列的映射規(guī)則上傳https:∥gitee.com/angelavor/cto，便于讀者查看。

1) 函數(shù)類

① 函數(shù)調(diào)用節(jié)點(diǎn)funcCall

對(duì)于C源程序的抽象語(yǔ)法樹的函數(shù)調(diào)用節(jié)點(diǎn)funcCall，生成的匯編語(yǔ)言指令的規(guī)則為

(1)若調(diào)用語(yǔ)句中不存在實(shí)參：

生成一條條件跳轉(zhuǎn)指令：bl。

(2)若調(diào)用語(yǔ)句中存在實(shí)參：

(a)識(shí)別C語(yǔ)言函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句中的實(shí)參對(duì)應(yīng)的抽象語(yǔ)法樹，遍歷該抽象語(yǔ)法樹的各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列：若參數(shù)類型為整型或者長(zhǎng)整型：lwz；若參數(shù)類型為字符型：lbz、clrlwi、mr；若參數(shù)類型為短整型：lhz、extsh、mr；若參數(shù)類型為浮點(diǎn)型：lwz、efdcfs、evmergehi、mr;若參數(shù)類型為雙精度浮點(diǎn)型：lwz、lwz、mr、mr;若參數(shù)類型為數(shù)組型:addi、mr。

(b)生成一條函數(shù)調(diào)用指令：crclr addres。

(c)一條條件跳轉(zhuǎn)指令：bl。

② 函數(shù)聲明節(jié)點(diǎn)funcDecl

對(duì)于C源程序的抽象語(yǔ)法樹的函數(shù)聲明節(jié)點(diǎn)funcDecl，生成的匯編語(yǔ)言指令序列規(guī)則為

(1)函數(shù)體入口指令序列：stwu、stw、mr。

(2)識(shí)別C語(yǔ)言函數(shù)體中語(yǔ)句序列對(duì)應(yīng)的抽象語(yǔ)法樹，遍歷該抽象語(yǔ)法樹的各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列。

(3)函數(shù)體出口指令序列：lwz、mr、blr。

2) 控制語(yǔ)句相關(guān)節(jié)點(diǎn)

① if控制節(jié)點(diǎn)

對(duì)于C源程序的抽象語(yǔ)法樹的if節(jié)點(diǎn)，生成的匯編語(yǔ)言指令序列規(guī)則為

(1)根據(jù)if語(yǔ)句的判斷條件語(yǔ)句函數(shù)塊信息生成對(duì)應(yīng)的匯編指令序列：

(a)如果第1個(gè)子樹是constant或者id節(jié)點(diǎn)：不添加匯編指令。

(b)如果第1個(gè)子樹是binaryOp，且binaryOp的兩個(gè)子樹均為constant節(jié)點(diǎn)：不添加匯編指令。

(c)其他情況：遍歷該抽象語(yǔ)法樹，根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列。

(2)生成1條比較指令：

(a)如果第1個(gè)子樹是constant或者id節(jié)點(diǎn)：不添加匯編指令。

(b)如果第1個(gè)子樹是binaryOp且binaryOp的兩個(gè)子樹均為constant節(jié)點(diǎn)：不添加匯編指令。

(c)如果第1個(gè)子樹是binaryOp，且binaryOp的判斷條件是“||”，binaryOp的兩個(gè)子樹存在一個(gè)constant節(jié)點(diǎn)：不添加匯編指令。

(d)如果第1個(gè)子樹binaryOp的兩個(gè)子樹節(jié)點(diǎn)均為id：cmpw。

(e)如果第1個(gè)子樹binaryOp的兩個(gè)子樹有且只有一個(gè)constant節(jié)點(diǎn)：cmpwi。

(3)生成1條條件跳轉(zhuǎn)指令：

(a)若第1個(gè)子樹是id：beq。

(b)若第1個(gè)子樹binaryOp的比較符號(hào)為“==”：若變量為浮點(diǎn)型：ble；其他情況：bne。

(c)若第1個(gè)子樹binaryOp的比較符號(hào)為“！=”：若變量為浮點(diǎn)型：bgt；其他情況：beq。

(d)若第1個(gè)子樹binaryOp的比較符號(hào)為“>=”：若均為變量且變量均為浮點(diǎn)型：ble；若均為變量：blt；若存在一個(gè)常量(即其他情況)：ble。

(e)若第1個(gè)子樹binaryOp的比較符號(hào)為“>”：ble。

(f)若第1個(gè)子樹binaryOp的比較符號(hào)為“<=”：若變量為浮點(diǎn)型：ble；其他情況：bgt。

(g)若第1個(gè)子樹binaryOp的比較符號(hào)為“<”：若均為變量且變量均為浮點(diǎn)型：ble；若均為變量：bge；若存在一個(gè)常量(即其他情況)：bgt。

(4)根據(jù)if語(yǔ)句條件為true情況下函數(shù)塊信息生成對(duì)應(yīng)的匯編指令序列：遍歷該抽象語(yǔ)法樹，根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列。

(5)若存在第3個(gè)子樹else函塊，則生成1條無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令：b。

(6)根據(jù)if語(yǔ)句條件為false情況下函數(shù)塊信息生成對(duì)應(yīng)的匯編指令：遍歷該抽象語(yǔ)法樹，根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列。

圖1給出了if節(jié)點(diǎn)翻譯為匯編指令序列排列的邏輯原理。

圖1 if節(jié)點(diǎn)映射規(guī)則圖Fig.1 Diagram of correspondece of if node to rule

② for循環(huán)節(jié)點(diǎn)

對(duì)于C源程序的抽象語(yǔ)法樹的for節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)式標(biāo)記為“for(A;B;C){D}”，生成的匯編語(yǔ)言指令序列規(guī)則為

(1)根據(jù)代碼塊A信息生成對(duì)應(yīng)的匯編指令序列：

(a)A為變量：lwz。

(b)A為其他數(shù)據(jù)類型：根據(jù)A節(jié)點(diǎn)類型對(duì)應(yīng)的規(guī)則生成程序塊A對(duì)應(yīng)的匯編指令序列。

(2)一條跳轉(zhuǎn)指令：b。

(3)若存在代碼塊D：根據(jù)D節(jié)點(diǎn)類型對(duì)應(yīng)的規(guī)則生成程序塊D對(duì)應(yīng)的匯編指令序列；否則不產(chǎn)生匯編指令。

(4)若存在代碼塊C：根據(jù)C節(jié)點(diǎn)類型對(duì)應(yīng)的規(guī)則生成代碼塊C對(duì)應(yīng)的匯編指令序列。

(5)若存在代碼塊B：根據(jù)B節(jié)點(diǎn)類型對(duì)應(yīng)的規(guī)則生成代碼塊B對(duì)應(yīng)的匯編指令序列。

3) 跳轉(zhuǎn)類節(jié)點(diǎn)

① 返回節(jié)點(diǎn)return

對(duì)于C源程序的抽象語(yǔ)法樹的return節(jié)點(diǎn)，生成的匯編語(yǔ)言指令序列規(guī)則為

根據(jù)函數(shù)體返回類型信息生成對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列：

(1)若函數(shù)體返回類型為void：

(a)若返回值為空：li、stw。

(b)若返回值不為空：不添加匯編指令。

(2)若函數(shù)體返回類型為整型：

(a)若返回值為常量：li。

(b)返回值為變量：lwz。

(3)若函數(shù)體返回類型為字符型：lbz,clrlwi。

(4)若函數(shù)體返回類型為浮點(diǎn)型：lwz,mtctr。

② 循環(huán)終止節(jié)點(diǎn)break

對(duì)于C源程序的抽象語(yǔ)法樹的break節(jié)點(diǎn)，規(guī)則為生成一條b指令，表示無(wú)條件跳轉(zhuǎn)。

4) 運(yùn)算類節(jié)點(diǎn)

① 二元運(yùn)算符binaryOp

對(duì)于C源程序的抽象語(yǔ)法樹的binaryOp節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)式為：“A？B”。其中“？”代表“>”“ < ”“ ==”“!=”“ +”“ -”“ *”“/”等運(yùn)算符號(hào)。生成的匯編語(yǔ)言指令序列步驟為：

步驟1識(shí)別binaryOp節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的運(yùn)算符，如果是“>”“ <”“ ==”“ !=”則跳轉(zhuǎn)至步驟2，執(zhí)行步驟2～步驟4；如果為“+”“ -”“ *”“/”則跳轉(zhuǎn)至步驟5～步驟7。

步驟2識(shí)別程序中B對(duì)應(yīng)的抽象語(yǔ)法樹，遍歷該抽象語(yǔ)法樹的各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列。

步驟3識(shí)別程序中A對(duì)應(yīng)的抽象語(yǔ)法樹，遍歷該抽象語(yǔ)法樹的各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列。

步驟4一條比較指令cmpw。

步驟5識(shí)別程序中A對(duì)應(yīng)的抽象語(yǔ)法樹，遍歷該抽象語(yǔ)法樹的各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列。

步驟6識(shí)別程序中B對(duì)應(yīng)的抽象語(yǔ)法樹，遍歷該抽象語(yǔ)法樹的各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型，生成相應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令序列。

步驟7識(shí)別binaryOp節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的運(yùn)算符，如果是“+”則添加一條add指令；如果是“-”則添加一條subf指令；如果是“*”則添加一條mullw指令；如果是“/”則添加一條divw指令。

② 單目運(yùn)算節(jié)點(diǎn)unaryOp

C源程序中單目運(yùn)算符生成匯編語(yǔ)言指令集合的規(guī)則。對(duì)于C源程序的抽象語(yǔ)法樹的unaryOp節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)式為：“a++”“ --a”“ &a”“ -a”“ !a”“ ～a”“ *a”，生成的匯編語(yǔ)言指令序列應(yīng)為：

步驟1識(shí)別unaryOp節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的運(yùn)算符，若為“*”或“&”，直接跳轉(zhuǎn)至步驟4。

步驟2一條lwz指令，用于將a加載進(jìn)寄存器。

步驟3識(shí)別unaryOp節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的運(yùn)算符，如果為“++”“--”則添加一條add指令，它是“addi”和“add”的統(tǒng)一表示，用于進(jìn)行自增自減運(yùn)算；如果為“-”，增添一條neg指令；若為“～”，增添一條not指令；若為“！”，不處理。

步驟4一條st指令，用于將寄存器中的結(jié)果加載到棧中。

2.4.2 建立PowerPC P2020機(jī)器碼程序函數(shù)體語(yǔ)句序列與C源程序函數(shù)體語(yǔ)句之間的追溯關(guān)系

基于2.4.1節(jié)中 C程序語(yǔ)法結(jié)構(gòu)到PowerPC P2020匯編語(yǔ)言指令序列映射規(guī)則的定義，建立函數(shù)體之間的追溯關(guān)系分以下3個(gè)步驟。

1) 針對(duì)于C源程序，利用pycpaser開源庫(kù)生成其抽象語(yǔ)法樹ast(偽代碼第50行)。偽代碼95～102行通過(guò)遍歷ast的抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合2.4.1節(jié)中構(gòu)建的規(guī)則庫(kù)生成期望匯編指令序列，并以函數(shù)體為單位將生成的期望指令序列存儲(chǔ)在sourceFuncAssemSet數(shù)組中。期望匯編指令序列中子項(xiàng)的節(jié)點(diǎn)格式為[cmd, coord]，其中cmd存儲(chǔ)期望匯編語(yǔ)言指令序列助記符，coord中存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)C源程序中的代碼行號(hào)信息。

2) 針對(duì)PowerPC P2020機(jī)器碼程序，偽代碼第50行利用“powerpc-linux-gnu-objdump-d-lfilename”命令解析機(jī)器碼程序文件，提取出函數(shù)名、匯編語(yǔ)言指令序列以及對(duì)應(yīng)C源程序中的代碼行號(hào)信息。偽代碼第70～94行以函數(shù)體為單位，將編譯器生成的相應(yīng)函數(shù)的匯編語(yǔ)言指令序列存儲(chǔ)在targetFuncAssemSet數(shù)組中。

3)建立PowerPC P2020機(jī)器碼程序函數(shù)體語(yǔ)句序列與C源程序函數(shù)體語(yǔ)句之間的追溯關(guān)系：

① 為方便計(jì)算其匹配率，算法將每一個(gè)匯編指令用唯一的ASCII碼值替換，并保存匯編指令與ASCII碼轉(zhuǎn)換的映射字符表(偽代碼第103行)。

② 對(duì)比實(shí)際匯編指令序列以及期望匯編指令序列對(duì)應(yīng)的字符串，若完全匹配，則匹配率為100%；若存在不匹配的字符，則匹配率為匹配的字符個(gè)數(shù)/字符總個(gè)數(shù)。

③ 根據(jù)映射字符表，回溯對(duì)應(yīng)的匯編指令。字符串中互相匹配的字符即為實(shí)際匯編指令序列與期望的匯編指令序列中互相匹配的匯編指令。

2.5 庫(kù)函數(shù)的溯源

1) 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)的溯源。對(duì)于動(dòng)態(tài)鏈接的庫(kù)函數(shù)，首先需要存放常用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的源碼，當(dāng)ELF文件頭中表明所依賴動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)時(shí)，需要根據(jù)對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的源碼，按照2.4節(jié)機(jī)器碼文件函數(shù)體代碼與源文件函數(shù)體代碼的映射方法進(jìn)行匹配即可，以驗(yàn)證該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是否存在問(wèn)題。

2) 靜態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)的溯源。當(dāng)機(jī)器碼文件函數(shù)體內(nèi)部存在連續(xù)的匯編代碼行不能與期望匯編指令序列匹配時(shí)，需要驗(yàn)證該段代碼是否為直接展開的庫(kù)函數(shù)。對(duì)于直接展開的庫(kù)函數(shù)，需要預(yù)先加載當(dāng)前C源程序引用的函數(shù)庫(kù)。匹配方法與2.4節(jié)函數(shù)體匹配相似，但不需要建立C程序語(yǔ)法結(jié)構(gòu)到PowerPC P2020匯編語(yǔ)言指令序列映射規(guī)則，只需要對(duì)展開前函數(shù)庫(kù)的二進(jìn)制代碼進(jìn)行反匯編作為期望匯編指令序列，然后與機(jī)器碼文件中未能匹配的連續(xù)匯編代碼行(即內(nèi)嵌的庫(kù)函數(shù))進(jìn)行匹配即可，以驗(yàn)證編譯器是否在靜態(tài)鏈接時(shí)對(duì)匯編指令進(jìn)行修改。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

本文采用ubuntu20.04和python3.8，根據(jù)圖2的實(shí)驗(yàn)流程，編程實(shí)現(xiàn)用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(命名為：NwpuSrcTrace)。NwpuSrcTrace以C源程序文件和PowerPC P2020機(jī)器碼文件作為輸入，通過(guò)可視化界面輸出機(jī)器碼和C源程序在文件、函數(shù)聲明和函數(shù)體代碼的追溯結(jié)果。

圖2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流程Fig.2 Experimental verification process

3.2 測(cè)試用例

1) 文件主名溯源測(cè)試用例

為驗(yàn)證文件溯源方法的有效性，論文設(shè)計(jì)了245個(gè)C源程序文件和與345個(gè)PowerPC P2020機(jī)器碼文件，其中100個(gè)機(jī)器碼文件設(shè)計(jì)為無(wú)法匹配到C語(yǔ)言源文件。

2) 函數(shù)名溯源測(cè)試用例

為驗(yàn)證函數(shù)聲明溯源方法的有效性，論文設(shè)計(jì)了1 111個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)聲明與1 273個(gè)PowerPC P2020機(jī)器碼函數(shù)聲明，其中162個(gè)機(jī)器碼函數(shù)聲明無(wú)法找到對(duì)應(yīng)的C語(yǔ)言源文件中的函數(shù)聲明。

3) 函數(shù)體溯源測(cè)試用例

為驗(yàn)證函數(shù)體代碼溯源的有效性，論文覆蓋C語(yǔ)言程序的23類抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了20個(gè)C源程序文件和相應(yīng)的20個(gè)PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件，共計(jì)460個(gè)測(cè)試用例進(jìn)行函數(shù)體代碼溯源實(shí)驗(yàn)。表1列舉了函數(shù)聲明decl、if、for和while等部分抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的C源程序測(cè)試用例。為便于讀者查看完整的測(cè)試用例,詳見https:∥gitee.com/angelavor/cto。

表1 部分節(jié)點(diǎn)C源程序?qū)嶒?yàn)對(duì)象

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 導(dǎo)入源文件和機(jī)器碼文件

將C源程序文件存儲(chǔ)在指定文件夾中，利用風(fēng)河Workbench嵌入式開發(fā)平臺(tái)GCC編譯器(航空領(lǐng)域應(yīng)用常用編譯器)對(duì)C源程序文件進(jìn)行編譯，得到對(duì)應(yīng)的PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件，并存儲(chǔ)在相應(yīng)工程文件夾中。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境NwpuSrcTrace中的home.py程序，啟動(dòng)可視化界面，導(dǎo)入C源程序文件與PowerPC P2020機(jī)器碼程序文件。

2) 機(jī)器碼文件溯源

點(diǎn)擊溯源菜單， “文件主名溯源”“函數(shù)名溯源”和“函數(shù)體溯源”功能可以分別輸出文件名(如圖3所示)、函數(shù)名(如圖4所示)和函數(shù)體代碼(如圖5所示)的追溯清單。

文件主名溯源界面(圖3)中，上方為源文件列表與機(jī)器碼文件列表。下方的文件主名溯源結(jié)果顯示匹配信息與文件主名。

圖3 文件溯源結(jié)果輸出界面Fig.3 File traceability output interface

函數(shù)名溯源界面(圖4)中，右側(cè)上方顯示為機(jī)器碼函數(shù)的匯編指令列表。下方的函數(shù)名溯源結(jié)果顯示匹配信息、函數(shù)名以及函數(shù)所在文件主名。

圖4 函數(shù)聲明溯源結(jié)果輸出界面Fig.4 Output interface of function definition tracing results

函數(shù)體溯源界面(圖5)中，右側(cè)上方為機(jī)器碼函數(shù)對(duì)應(yīng)的匯編指令列表。界面下方的函數(shù)體溯源結(jié)果顯示以函數(shù)體為單位的匹配率。

圖5 函數(shù)體溯源結(jié)果輸出界面Fig.5 Output interface of function body tracing results

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) 文件溯源結(jié)果

圖6為系統(tǒng)導(dǎo)出的共590個(gè)文件溯源結(jié)果的部分截圖，其中包括匹配成功/失敗信息、C源程序文件主名信息和PowerPC P2020程序文件主名信息。目前文件主名溯源方法已達(dá)到100%準(zhǔn)確率。

圖6 文件溯源測(cè)試結(jié)果展示Fig.6 Display of file traceability test results

2) 函數(shù)聲明溯源結(jié)果

圖7為系統(tǒng)導(dǎo)出的共2 384個(gè)函數(shù)名溯源方法的部分測(cè)試結(jié)果，其中包括匹配成功/失敗信息、該函數(shù)名所在C源程序文件主名或該函數(shù)名所在PowerPC P2020程序文件主名信息。目前函數(shù)聲明溯源已達(dá)到100%的準(zhǔn)確率。

圖7 函數(shù)名溯源測(cè)試結(jié)果展示Fig.7 Display of function name traceability test results

3) 函數(shù)體代碼行溯源結(jié)果

表2給出了覆蓋23類抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)的C程序溯源測(cè)試結(jié)果：第1列為抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)，第2列為節(jié)點(diǎn)含義的描述，第3列為測(cè)試用例介紹，第4列為C語(yǔ)言函數(shù)體與機(jī)器碼函數(shù)體部分代碼示例，第5列為函數(shù)體代碼溯源的匹配率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除少數(shù)節(jié)點(diǎn)類型匹配率較低外，其余節(jié)點(diǎn)的匹配率較高，函數(shù)體代碼的平均成功匹配率為97.22%。匹配率低的節(jié)點(diǎn)涉及到復(fù)雜數(shù)據(jù)類型，如長(zhǎng)整型long、浮點(diǎn)型float和雙精度浮點(diǎn)型double。編譯器對(duì)浮點(diǎn)和雙精度數(shù)據(jù)類型的處理是動(dòng)態(tài)的并依賴于計(jì)算機(jī)的硬件環(huán)境，同時(shí)編譯器會(huì)對(duì)部分運(yùn)算進(jìn)行合并優(yōu)化操作。例如：針對(duì)“b=a*2”語(yǔ)句，根據(jù)抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)規(guī)則，BinaryOp節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算符號(hào)為“*”，對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)言指令為“mullw”，但是在實(shí)際編譯過(guò)程中，編譯器會(huì)將其編譯為加法運(yùn)算，即“+”對(duì)應(yīng)的“addi”指令。這些情況會(huì)導(dǎo)致匹配度無(wú)法到達(dá)預(yù)期的情況，仍需要人工對(duì)溯源結(jié)果進(jìn)行審核。

表2 函數(shù)體代碼行的溯源測(cè)試結(jié)果Table 2 Traceability test results for function body code

實(shí)驗(yàn)環(huán)境NwpuSrcTrace可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化溯源文件、函數(shù)聲明和函數(shù)體代碼，能較好地實(shí)現(xiàn)C源碼和編譯后PowerPC P2020機(jī)器碼的可追溯性，詳細(xì)展示機(jī)器碼和源碼的匹配情況，縮減人工追溯C源碼和編譯后的PowerPC P2020機(jī)器碼關(guān)系的時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。

4 結(jié)論和展望

本文提出了一種由PowerPC P2020處理器平臺(tái)的機(jī)器碼工程文件到C語(yǔ)言源代碼工程文件的追溯性分析方法，用戶可以從文件映射、函數(shù)聲明映射、函數(shù)體模塊映射3個(gè)方面獲取PowerPC P2020機(jī)器碼工程文件到C源代碼工程文件的追溯關(guān)系，函數(shù)體代碼的平均追溯匹配率達(dá)97.22%，文件和函數(shù)聲明溯源的追溯匹配率達(dá)100%。

續(xù)表7

續(xù)表7

本文研究目標(biāo)是驗(yàn)證編譯器在編譯過(guò)程中是否插入異常代碼，在工程實(shí)踐過(guò)程中，可以將得到機(jī)器碼程序的過(guò)程分為編譯過(guò)程、驗(yàn)證過(guò)程、裁剪過(guò)程等3個(gè)過(guò)程。在編譯過(guò)程中，通過(guò)參數(shù)控制編譯器生成帶符號(hào)表的ELF文件，即本文中的.o文件。在驗(yàn)證過(guò)程中，使用本文所述方法驗(yàn)證生成程序的正確性。在裁剪過(guò)程中，使用裁剪工具對(duì)驗(yàn)證后的程序進(jìn)行裁剪。因?yàn)椴眉暨^(guò)程是在追溯機(jī)器碼程序的正確性后再進(jìn)行，因此在資源受限的嵌入式領(lǐng)域，生成的二進(jìn)制文件即使經(jīng)過(guò)裁剪，以及溯源所用的符號(hào)表可能會(huì)被刪除，也不會(huì)影響到本文的驗(yàn)證方法。所以本文方法在實(shí)踐中是可行的。

在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，未來(lái)可以從以下4個(gè)方面繼續(xù)進(jìn)行深入研究：

1) 針對(duì)浮點(diǎn)數(shù)和雙精度帶來(lái)的部分節(jié)點(diǎn)匹配率低問(wèn)題，未來(lái)將通過(guò)分析源碼、存儲(chǔ)符號(hào)及類型的辦法解決。

2) 目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果是覆蓋23類抽象語(yǔ)法樹節(jié)點(diǎn)的C程序單元測(cè)試的溯源，未來(lái)工作采用嵌入式航空領(lǐng)域包含C語(yǔ)言復(fù)雜嵌套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的常用函數(shù)庫(kù)和相關(guān)開源軟件作為集成測(cè)試集，對(duì)提出的方法進(jìn)行集成測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證方法的有效性。

3) 在C程序語(yǔ)義分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索不同編譯優(yōu)化選項(xiàng)影響下的代碼溯源問(wèn)題。目前編譯器的優(yōu)化選項(xiàng)有O0、O1、O2、O3、Os 這5種，編譯器默認(rèn)使用的是O2優(yōu)化選項(xiàng)，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)論也是基于O2優(yōu)化選項(xiàng)。如果修改優(yōu)化選項(xiàng)，會(huì)對(duì)論文目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，對(duì)于修改優(yōu)化選項(xiàng)后未能溯源的代碼，需要通過(guò)人工方式進(jìn)行溯源分析。本文方法仍能輔助人工完成大部分機(jī)器碼溯源任務(wù)，降低全部機(jī)器碼溯源所花費(fèi)的時(shí)間，滿足機(jī)載軟件適航要求。

4) C/C++是目前機(jī)載軟件開發(fā)的主要語(yǔ)言選擇項(xiàng)，后續(xù)將針對(duì)C/C++中更復(fù)雜的嵌套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，開展進(jìn)一步研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境已留出的選擇不同處理器及編程語(yǔ)言的開放接口，使提出的溯源方法推廣適配到其他平臺(tái)處理器以及C++編程語(yǔ)言。