Что означает в ассемблере

Руководство по ассемблеру x86 для начинающих

В наше время редко возникает необходимость писать на чистом ассемблере, но я определённо рекомендую это всем, кто интересуется программированием. Вы увидите вещи под иным углом, а навыки пригодятся при отладке кода на других языках.

В этой статье мы напишем с нуля калькулятор обратной польской записи (RPN) на чистом ассемблере x86. Когда закончим, то сможем использовать его так:

Весь код для статьи здесь. Он обильно закомментирован и может служить учебным материалом для тех, кто уже знает ассемблер.

Начнём с написания базовой программы Hello world! для проверки настроек среды. Затем перейдём к системным вызовам, стеку вызовов, стековым кадрам и соглашению о вызовах x86. Потом для практики напишем некоторые базовые функции на ассемблере x86 — и начнём писать калькулятор RPN.

Предполагается, что у читателя есть некоторый опыт программирования на C и базовые знания компьютерной архитектуры (например, что такое регистр процессора). Поскольку мы будем использовать Linux, вы также должны уметь использовать командную строку Linux.

Настройка среды

Как уже сказано, мы используем Linux (64- или 32-битный). Приведённый код не работает в Windows или Mac OS X.

Я бы также рекомендовал держать под рукой таблицу ASCII.

Hello, world!

Для проверки среды сохраните следующий код в файле calc.asm :

Комментарии объясняют общую структуру. Список регистров и общих инструкций можете изучить в «Руководстве по ассемблеру x86 университета Вирджинии». При дальнейшем обсуждении системных вызовов это тем более понадобится.

Следующие команды собирают файл ассемблера в объектный файл, а затем компонует исполняемый файл:

После запуска вы должны увидеть:

Makefile

Затем вместо вышеприведённых инструкций просто запускаем make.

Системные вызовы

Системные вызовы Linux указывают ОС выполнить для нас какие-то действия. В этой статье мы используем только два системных вызова: write() для записи строки в файл или поток (в нашем случае это стандартное устройство вывода и стандартная ошибка) и exit() для выхода из программы:

Стек вызовов

Стек вызовов — структура данных, в которой хранится информация о каждом обращении к функции. У каждого вызова собственный раздел в стеке — «фрейм». Он хранит некоторую информацию о текущем вызове: локальные переменные этой функции и адрес возврата (куда программа должна перейти после выполнения функции).

Сразу отмечу одну неочевидную вещь: стек увеличивается вниз по памяти. Когда вы добавляете что-то на верх стека, оно вставляется по адресу памяти ниже, чем предыдущий элемент. Другими словами, по мере роста стека адрес памяти в верхней части стека уменьшается. Чтобы избежать путаницы, я буду всё время напоминать об этом факте.

Соглашение о вызовах для архитектуры x86

В х86 нет встроенного понятия функции как в высокоуровневых языках. Инструкция call — это по сути просто jmp ( goto ) в другой адрес памяти. Чтобы использовать подпрограммы как функции в других языках (которые могут принимать аргументы и возвращать данные обратно), нужно следовать соглашению о вызовах (существует много конвенций, но мы используем CDECL, самое популярное соглашение для x86 среди компиляторов С и программистов на ассемблере). Это также гарантирует, что регистры подпрограммы не перепутаются при вызове другой функции.

Правила вызывающей стороны

Перед вызовом функции вызывающая сторона должна:

Правила вызываемой подпрограммы

Перед вызовом подпрограмма должна:

Стек вызовов после шага 2:

Стек вызовов после шага 4:

На последней диаграмме также можно заметить, что локальные переменные функции всегда начинается на 4 байта выше ebp с адреса ebp-4 (здесь вычитание, потому что мы двигаемся вверх по стеку), а аргументы функции всегда начинается на 8 байт ниже ebp с адреса ebp+8 (сложение, потому что мы двигаемся вниз по стеку). Если следовать правилам из этой конвенции, так будет c переменными и аргументами любой функции.

Когда функция выполнена и вы хотите вернуться, нужно сначала установить eax на возвращаемое значение функции, если это необходимо. Кроме того, нужно:

Вход и выход

Написание некоторых основных функций

Здесь понадобится ещё одна функция _strlen для подсчёта длины строки. На C она может выглядеть так:

Другими словами, с самого начала строки мы добавляем 1 к возвращаемым значением для каждого символа, кроме нуля. Как только замечен нулевой символ, возвращаем накопленное в цикле значение. В ассемблере это тоже довольно просто: можно использовать как базу ранее написанную функцию _subtract :

И посмотрим плоды нашей тяжёлой работы, используя эту функцию в полной программе “Hello, world!”.

Хотите верьте, хотите нет, но мы рассмотрели все основные темы, которые нужны для написания базовых программ на ассемблере x86! Теперь у нас есть весь вводный материал и теория, так что полностью сосредоточимся на коде и применим полученные знания для написания нашего калькулятора RPN. Функции будут намного длиннее и даже станут использовать некоторые локальные переменные. Если хотите сразу увидеть готовую программу, вот она.

Создание стека

Теперь можно реализовать функции _push и _pop :

Вывод чисел

На C программа будет выглядеть примерно так:

Теперь вы понимаете, зачем нам эти три функции. Давайте реализуем это на ассемблере:

Теперь у нас есть все необходимые функции, осталось реализовать основную логику в _start — и на этом всё!

Вычисление обратной польской записи

Как мы уже говорили, обратная польская запись вычисляется с помощью стека. При чтении число заносится на стек, а при чтении оператор применяется к двум объектам наверху стека.

Например, если мы хотим вычислить 84/3+6* (это выражение также можно записать в виде 6384/+* ), процесс выглядит следующим образом:

Если на входе допустимое постфиксное выражение, то в конце вычислений на стеке остаётся лишь один элемент — это и есть ответ, результат вычислений. В нашем случае число равно 30.

В ассемблере нужно реализовать нечто вроде такого кода на C:

Теперь у нас имеются все функции, необходимые для реализации этого, давайте начнём.

И мы закончили! Удивите всех своих друзей, если они у вас есть. Надеюсь, теперь вы с большей теплотой отнесётесь к языкам высокого уровня, особенно если вспомнить, что многие старые программы писали полностью или почти полностью на ассемблере, например, оригинальный RollerCoaster Tycoon!

Весь код здесь. Спасибо за чтение! Могу продолжить, если вам интересно.

Дальнейшие действия

Можете попрактиковаться, реализовав несколько дополнительных функций:

Источник

Записки программиста

Шпаргалка по основным инструкциям ассемблера x86/x64

В прошлой статье мы написали наше первое hello world приложение на асме, научились его компилировать и отлаживать, а также узнали, как делать системные вызовы в Linux. Сегодня же мы познакомимся непосредственно с ассемблерными инструкциями, понятием регистров, стека и вот этого всего. Ассемблеры для архитектур x86 (a.k.a i386) и x64 (a.k.a amd64) очень похожи, в связи с чем нет смысла рассматривать их в отдельных статьях. Притом акцент я постараюсь делать на x64, попутно отмечая отличия от x86, если они есть. Далее предполагается, что вы уже знаете, например, чем стек отличается от кучи, и объяснять такие вещи не требуется.

Регистры общего назначения

Регистр — это небольшой (обычно 4 или 8 байт) кусочек памяти в процессоре с чрезвычайно большой скоростью доступа. Регистры делятся на регистры специального назначения и регистры общего назначения. Нас сейчас интересуют регистры общего назначения. Как можно догадаться по названию, программа может использовать эти регистры под свои нужды, как ей вздумается.

На x86 доступно восемь 32-х битных регистров общего назначения — eax, ebx, ecx, edx, esp, ebp, esi и edi. Регистры не имеют заданного наперед типа, то есть, они могут трактоваться как знаковые или беззнаковые целые числа, указатели, булевы значения, ASCII-коды символов, и так далее. Несмотря на то, что в теории эти регистры можно использовать как угодно, на практике обычно каждый регистр используется определенным образом. Так, esp указывает на вершину стека, ecx играет роль счетчика, а в eax записывается результат выполнения операции или процедуры. Существуют 16-и битные регистры ax, bx, cx, dx, sp, bp, si и di, представляющие собой 16 младших бит соответствующих 32-х битных регистров. Также доступны и 8-и битовые регистры ah, al, bh, bl, ch, cl, dh и dl, которые представляют собой старшие и младшие байты регистров ax, bx, cx и dx соответственно.

Рассмотрим пример. Допустим, выполняются следующие три инструкции:

Значения регистров после записи в eax значения 0 x AABBCCDD:

Значения после записи в регистр al значения 0 x EE:

Значения регистров после записи в ax числа 0 x 1234:

Как видите, ничего сложного.

На x64 размер регистров был увеличен до 64-х бит. Соответствующие регистры получили название rax, rbx, и так далее. Кроме того, регистров общего назначения стало шестнадцать вместо восьми. Дополнительные регистры получили названия r8, r9, …, r15. Соответствующие им регистры, которые представляют младшие 32, 16 и 8 бит, получили название r8d, r8w, r8b, и по аналогии для регистров r9-r15. Кроме того, появились регистры, представляющие собой младшие 8 бит регистров rsi, rdi, rbp и rsp — sil, dil, bpl и spl соответственно.

Про адресацию

Как уже отмечалось, регистры могут трактоваться, как указатели на данные в памяти. Для разыменования таких указателей используется специальный синтаксис:

Эта запись означает «прочитай 8 байт по адресу, записанному в регистре rsp, и сохрани их в регистр rax». При запуске программы rsp указывает на вершину стека, где хранится число аргументов, переданных программе (argc), указатели на эти аргументы, а также переменные окружения и кое-какая другая информация. Таким образом, в результате выполнения приведенной выше инструкции (разумеется, при условии, что перед ней не выполнялось каких-либо других инструкций) в rax будет записано количество аргументов, с которыми была запущена программа.

В одной команде можно указывать адрес и смешение (как положительное, так и отрицательное) относительно него:

Эта запись означает «возьми rsp, прибавь к нему 8, прочитай 8 байт по получившемуся адресу и положи их в rax». Таким образом, в rax будет записан адрес строки, представляющей собой первый аргумент программы, то есть, имя исполняемого файла.

При работе с массивами бывает удобно обращаться к элементу с определенным индексом. Соответствующий синтаксис:

Читается так: «посчитай rcx*8 + rsp + 16, и поменяй местами 8 байт (размер регистра) по получившемуся адресу и значение регистра rax». Другими словами, rsp и 16 все так же играют роль смещения, rcx играет роль индекса в массиве, а 8 — это размер элемента массива. При использовании данного синтаксиса допустимыми размерами элемента являются только 1, 2, 4 и 8. Если требуется какой-то другой размер, можно использовать инструкции умножения, бинарного сдвига и прочие, которые мы рассмотрим далее.

Наконец, следующий код тоже валиден:

.data
msg :
. ascii «Hello, world!\n»
. text

В смысле, что можно не указывать регистр со смещением или вообще какие-либо регистры. В результате выполнения этого кода в регистры al и ah будет записан ASCII-код буквы H, или 0 x 48.

В этом контексте хотелось бы упомянуть еще одну полезную ассемблерную инструкцию:

Инструкция lea очень удобна, так как позволяет сразу выполнить умножение и несколько сложений.

Fun fact! На x64 в байткоде инструкций никогда не используются 64-х битовые смещения. В отличие от x86, инструкции часто оперируют не абсолютными адресами, а адресами относительно адреса самой инструкции, что позволяет обращаться к ближайшим +/- 2 Гб оперативной памяти. Соответствующий синтаксис:

Как видите, «относительный» mov еще и на один байт короче! Что это за регистр такой rip мы узнаем чуть ниже.

Для записи же полного 64-х битового значения в регистр предусмотрена специальная инструкция:

Другими словами, процессоры x64 так же экономно кодируют инструкции, как и процессоры x86, и в наше время нет особо смысла использовать процессоры x86 в системах, имеющих пару гигабайт оперативной памяти или меньше (мобильные устройства, холодильники, микроволновки, и так далее). Скорее всего, процессоры x64 будут даже более эффективны за счет большего числа доступных регистров и большего размера этих регистров.

Арифметические операции

Рассмотрим основные арифметические операции:

# инкремент: rax = rax + 1 = 124
inc % rax

Здесь и далее операндами могут быть не только регистры, но и участки памяти или константы. Но оба операнда не могут быть участками памяти. Это правило применимо ко всем инструкциям ассемблера x86/x64, по крайней мере, из рассмотренных в данной статье.

В данном примере инструкция mul умножает al на cl, и сохраняет результат умножения в пару регистров al и ah. Таким образом, ax примет значение 0 x 12C или 300 в десятичной нотации. В худшем случае для сохранения результата перемножения двух N-байтовых значений может потребоваться до 2*N байт. В зависимости от размера операнда результат сохраняется в al:ah, ax:dx, eax:edx или rax:rdx. Притом в качестве множителей всегда используется первый из этих регистров и переданный инструкции аргумент.

Знаковое умножение производится точно так же при помощи инструкции imul. Кроме того, существуют варианты imul с двумя и тремя аргументами:

Инструкции div и idiv производят действия, обратные mul и imul. Например:

# rax = rdx:rax / rcx = 3
# rdx = rdx:rax % rcx = 87
div % rcx

Как видите, был получен результат целочисленного деления, а также остаток от деления.

Это далеко не все арифметические инструкции. Например, есть еще adc (сложение с учетом флага переноса), sbb (вычитание с учетом займа), а также соответствующие им инструкции, выставляющие и очищающие соответствующие флаги (ctc, clc), и многие другие. Но они распространены намного меньше, и потому в рамках данной статьи не рассматриваются.

Логические и битовые операции

Как уже отмечалось, особой типизации в ассемблере x86/x64 не предусмотрено. Поэтому не стоит удивляться, что в нем нет отдельных инструкций для выполнения булевых операций и отдельных для выполнения битовых операций. Вместо этого есть один набор инструкций, работающих с битами, а уж как интерпретировать результат — решает конкретная программа.

Так, например, выглядит вычисление простейшего логического выражения:

Заметьте, что здесь мы использовали по одному младшему биту в каждом из 64-х битовых регистров. Таким образом, в старших битах образуется мусор, который мы обнуляем последней командой.

Еще одна полезная инструкция — это xor (исключающее или). В логических выражениях xor используется нечасто, однако с его помощью часто происходит обнуление регистров. Если посмотреть на опкоды инструкций, то становится понятно, почему:

Как видите, инструкции xor и inc кодируются всего лишь тремя байтами каждая, в то время, как делающая то же самое инструкция mov занимает целых семь байт. Каждый отдельный случай, конечно, лучше бенчмаркать отдельно, но общее эвристическое правило такое — чем короче код, тем больше его помещается в кэши процессора, тем быстрее он работает.

В данном контексте также следует вспомнить инструкции побитового сдвига, тестирования битов (bit test) и сканирования битов (bit scan):

Еще есть битовые сдвиги со знаком (sal, sar), циклические сдвиги с флагом переноса (rcl, rcr), а также сдвиги двойной точности (shld, shrd). Но используются они не так уж часто, да и утомишься перечислять вообще все инструкции. Поэтому их изучение я оставляю вам в качестве домашнего задания.

Условные выражения и циклы

Выше несколько раз упоминались какие-то там флаги, например, флаг переноса. Под флагами понимаются биты специального регистра eflags / rflags (название на x86 и x64 соответственно). Напрямую обращаться к этому регистру при помощи инструкций mov, add и подобных нельзя, но он изменяется и используется различными инструкциями косвенно. Например, уже упомянутый флаг переноса (carry flag, CF) хранится в нулевом бите eflags / rflags и используется, например, в той же инструкции bt. Еще из часто используемых флагов можно назвать zero flag (ZF, 6-ой бит), sign flag (SF, 7-ой бит), direction flag (DF, 10-ый бит) и overflow flag (OF, 11-ый бит).

В результате значение rax будет равно единице, так как первая инструкция inс будет пропущена. Заметьте, что адрес перехода также может быть записан в регистре:

Впрочем, на практике такого кода лучше избегать, так как он ломает предсказание переходов и потому менее эффективен.

Условные переходы обычно осуществляются при помощи инструкции cmp, которая сравнивает два своих операнда и выставляет соответствующие флаги, за которой следует инструкция из семейства je, jg и подобных:

je 1f # перейти, если равны (equal)
jl 1f # перейти, если знаково меньше (less)
jb 1f # перейти, если беззнаково меньше (below)
jg 1f # перейти, если знаково больше (greater)
ja 1f # перейти, если беззнаково больше (above)

Существует также инструкции jne (перейти, если не равны), jle (перейти, если знаково меньше или равны), jna (перейти, если беззнаково не больше) и подобные. Принцип их именования, надеюсь, очевиден. Вместо je / jne часто пишут jz / jnz, так как инструкции je / jne просто проверяют значение ZF. Также есть инструкции, проверяющие другие флаги — js, jo и jp, но на практике они используются редко. Все эти инструкции вместе взятые обычно называют jcc. То есть, вместо конкретных условий пишутся две буквы «c», от «condition». Здесь можно найти хорошую сводную таблицу по всем инструкциям jcc и тому, какие флаги они проверяют.

Помимо cmp также часто используют инструкцию test:

Fun fact! Интересно, что cmp и test в душе являются теми же sub и and, только не изменяют своих операндов. Это знание можно использовать для одновременного выполнения sub или and и условного перехода, без дополнительных инструкций cmp или test.

Еще из инструкций, связанных с условными переходами, можно отметить следующие.

Инструкция jrcxz осуществляет переход только в том случае, если значение регистра rcx равно нулю.

Инструкции семейства cmovcc (conditional move) работают как mov, но только при выполнении заданного условия, по аналогии с jcc.

Инструкции setcc присваивают однобайтовому регистру или байту в памяти значение 1, если заданное условие выполняется, и 0 иначе.

Сравнить rax с заданным куском памяти. Если равны, выставить ZF и сохранить по указанному адресу значение указанного регистра, в данном примере rcx. Иначе очистить ZF и загрузить значение из памяти в rax. Также оба операнда могут быть регистрами.

Инструкция cmpxchg8b главным образом нужна в x86. Она работает аналогично cmpxchg, только производит compare and swap сразу 8-и байт. Регистры edx:eax используются для сравнения, а регистры ecx:ebx хранят то, что мы хотим записать. Инструкция cmpxchg16b по тому же принципу производит compare and swap сразу 16-и байт на x64.

Важно! Примите во внимание, что без префикса lock все эти compare and swap инструкции не атомарны.

Не нужно быть семи пядей во лбу, чтобы изобразить при помощи этих инструкций конструкцию if-then-else или циклы for / while, поэтому двигаемся дальше.

«Строковые» операции

Рассмотрим следующий кусок кода:

В регистры rsi и rdi кладутся адреса двух строк. Командой cld очищается флаг направления (DF). Инструкция, выполняющая обратное действие, называется std. Затем в дело вступает инструкция cmpsb. Она сравнивает байты (%rsi) и (%rdi) и выставляет флаги в соответствии с результатом сравнения. Затем, если DF = 0, rsi и rdi увеличиваются на единицу (количество байт в том, что мы сравнивали), иначе — уменьшаются. Аналогичные инструкции cmpsw, cmpsl и cmpsq сравнивают слова, длинные слова и четверные слова соответственно.

Инструкции cmps интересны тем, что могут использоваться с префиксом rep, repe (repz) и repne (repnz). Например:

Префикс rep повторяет инструкцию заданное в регистре rcx количество раз. Префиксы repz и repnz делают то же самое, но только после каждого выполнения инструкции дополнительно проверяется ZF. Цикл прерывается, если ZF = 0 в случае c repz и если ZF = 1 в случае с repnz. Таким образом, приведенный выше код проверяет равенство двух буферов одинакового размера.

Аналогичные инструкции movs перекладывает данные из буфера, адрес которого указан в rsi, в буфер, адрес которого указан в rdi (легко запомнить — rsi значит source, rdi значит destination). Инструкции stos заполняет буфер по адресу из регистра rdi байтами из регистра rax (или eax, или ax, или al, в зависимости от конкретной инструкции). Инструкции lods делают обратное действие — копируют байты по указанному в rsi адресу в регистр rax. Наконец, инструкции scas ищут байты из регистра rax (или соответствующих регистров меньшего размера) в буфере, адрес которого указан в rdi. Как и cmps, все эти инструкции работают с префиксами rep, repz и repnz.

Работа со стеком и процедуры

Со стеком все очень просто. Инструкция push кладет свой аргумент на стек, а инструкция pop извлекает значение со стека. Например, если временно забыть про инструкцию xchg, то поменять местами значение двух регистров можно так:

Существуют инструкции, помещающие на стек и извлекающие с него регистр rflags / eflags:

А так, к примеру, можно получить значение флага CF:

На x86 также существуют инструкции pusha и popa, сохраняющие на стеке и восстанавливающие с него значения всех регистров. В x64 этих инструкций больше нет. Видимо, потому что регистров стало больше и сами регистры теперь длиннее — сохранять и восстанавливать их все стало сильно дороже.

Процедуры, как правило, «создаются» при помощи инструкций call и ret. Инструкция call кладет на стек адрес следующей инструкции и передает управление по указанному в аргументе адресу. Инструкция ret читает со стека адрес возврата и передает по нему управление. Например:

# выход из процедуры
ret

Как правило, возвращаемое значение передается в регистре rax или, если его размера не достаточно, записывается в структуру, адрес которой передается в качестве аргумента. К вопросу о передаче аргументов. Соглашений о вызовах существует великое множество. В одних все аргументы всегда передаются через стек (отдельный вопрос — в каком порядке) и за очистку стека от аргументов отвечает сама процедура, в других часть аргументов передается через регистры, а часть через стек, и за очистку стека от аргументов отвечает вызывающая сторона, плюс множество вариантов посередине, с отдельными правилами касательно выравнивания аргументов на стеке, передачи this, если это ООП язык, и так далее. В общем случае для произвольно взятой архитектуры, компилятора и языка программирования соглашение о вызовах может быть вообще каким угодно.

Для примера рассмотрим ассемблерный код, сгенерированный CLang 3.8 для простой программки на языке C под x64. Так выглядит одна из процедур:

# типичный пролог процедуры
# регистр rsp не изменяется, так как процедура не вызывает никаких
# других процедур
400950: 55 push %rbp
400951: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp

# типичный эпилог
4009a3: 5d pop %rbp
4009a4: c3 retq

Как видите, два аргумента были переданы процедуре через регистры rdi и rsi. По всей видимости, используется конвенция под названием System V AMD64 ABI. Утверждается, что это стандарт де-факто под x64 на *nix системах. Я не вижу смысла пересказывать описание этой конвенции здесь, заинтересованные читатели могут ознакомиться с полным описанием по приведенной ссылке.

Заключение

Еще интересный топик, оставшийся за кадром — это атомарные операции, барьеры памяти, спинлоки и вот это все. Например, compare and swap часто реализуется просто как инструкция cmpxchg с префиксом lock. По аналогии реализуется атомарный инкремент, декремент, и прочее. Увы, все это тянет на тему для отдельной статьи.

В качестве источников дополнительной информации можно рекомендовать книгу Modern X86 Assembly Language Programming, и, конечно же, мануалы от Intel. Также довольно неплоха книга x86 Assembly на wikibooks.org.

Из онлайн-справочников по ассемблерным инструкциям стоит обратить внимание на следующие:

А знаете ли вы ассемблер, и если да, то находите ли это знание полезным?

Источник