Для чего нужен ассемблер – Для чего нужен ассемблер? — Хабр Q&A

Содержание

Ассемблер для начинающих / Habr

В любом деле главное — начать. Или вот еще хорошая поговорка: «Начало — половина дела». Но иногда даже не знаешь как подступиться к интересующему вопросу. В связи с тем, что воспоминания мои еще свежи, спешу поделиться своими соображениями с интересующимися.

Скажу сразу, что лично я ассемблирую не под PC, а под микроконтроллеры. Но это не имеет большого значения, ибо (в отличие от микроконтроллеров AVR) система команд данных микроконтроллеров с PC крайне схожа. Да и, собственно говоря, ассемблер он и в Африке ассемблер.

Конечно, я не ставлю своей целью описать в этой статье всё необходимое от начала и до конца. Благо, по ассемблеру написано уже невообразимое число литературы. И да, мой опыт может отличаться от опыта других программистов, но я считаю не лишним изложить основную концепцию этого вопроса в моем понимании.

Для начала успокою любознательных новобранцев: ассемблер — это совсем не сложно, вопреки стереотипному мнению. Просто он ближе к «земле», то бишь к архитектуре. На самом деле, он очень прост, если ухватить основную идею. В отличие от языков высокого уровня и разнообразных специализированных платформ для программирования (под всем перечисленным я понимаю всякое вроде C++, MatLAB и прочих подобных штук, где требуются программерские навыки), команд тут раз-два и обчелся. По началу даже, когда мне нужно было посчитать двойной интеграл, эта задача вызывала лишь недоумение: как при помощи такого скудного количества операций можно совершить подобную процедуру? Ведь образно говоря, на ассемблере можно разве что складывать, вычитать и сдвигать числа. Но с помощью ассемблера можно совершать сколь угодно сложные операции, а код будет выходить крайне лёгкий. Вот даже для примера, нужно вам зажечь светодиод, который подключен, например, к нулевому контакту порта номер 2, вы просто пишете:

bset P2.0
И, как говорится, никаких проблем. Нужно включить сразу штуки четыре, подключенных последовательно? Да запросто:
mov P2, #000fh
Да, тут я подразумеваю, что начинающий боец уже знаком хотя бы со системами счисления. Ну хотя бы с десятичной. 😉

Итак, для достижения успеха в деле ассемблирования, следует разбираться в архитектуре (в моем случае) микроконтроллера. Это раз.

Кстати, одно из больных мест в познании архитектуры — это организация памяти. Тут на Хабре я видела соответствующую статью: habrahabr.ru/blogs/programming/128991. Еще могу упомянуть ключевые болевые точки: прерывания. Штука не сложная, но по началу (почему-то) тяжелая для восприятия.

Если перед вами стоит сложная задача и вы даже не знаете как по началу к ней подступиться, лучше всего написать алгоритм. Это воистину спасает. А по началу, даже если программа совершенно не сложная, лучше всё же начать с алгоритма, ибо этот процесс помогает разложить всё в голове по местам. Возвращаясь к примеру с вычислением двойного интеграла по экспериментальным данным, обдумывала алгоритм я весь день, но зато потом программку по нему написала всего за 20 минут. Плюс алгоритм будет полезен при дальнейшей модернизации и/или эксплуатации программы, а то ассемблерный код, временами, если и будет понятен построчно, то чтобы разобраться в чем же общая идея, придется немало потрудиться.

Итак, второй ключ к успеху — подробно написанный и хорошо продуманный алгоритм. Настоятельно рекомендую не садиться сразу за аппарат и писать программу. Ничего дельного вы с ходу не напишете. Это два.

Собственно, хотелось бы как Фандорин написать: «Это т-т-три»… Но, боюсь, на этом пока можно остановиться. Хотя хотелось бы добавить еще несколько рекомендаций и пряников.

Подводя итог моему несколько сумбурному монологу, ключевые моменты в программировании на ассемблере — это знание архитектуры и связное построение мыслей. Конечно, не обязательно сразу с головой кидаться в штудировании литературы с описанием внутренностей того же PC, но общее представление (повторюсь, хотя бы для начала) будет очень нужно.

А теперь обещанные пряники! Вот я тут распинаюсь о каком-то непонятном ассемблере, а что же в нем, собственно говоря, хорошего? Да много всего! Во-первых, конечно, не нужно запоминать много команд, используемых библиотек и прочей сопутствующей дребедени. Всего парочка команд и, считайте, вы во всеоружии. Во-вторых, в связи с крайней близостью к машинным кодам, вы можете делать практически всё, что душе угодно (в отличие от тех же языков высокого уровня)! В-третьих, ассемблерный код, по причине максимальной лаконичности в формулировках, выполняется крайне быстро.

В общем, сплошные плюсы. На этой оптимистической ноте разрешите откланяться.

habr.com

Учебный курс. Часть 0. Зачем учить ассемблер

В настоящее время существует множество языков программирования. Созданы самые разные языки, удобные для решения любых задач. Большинство этих языков является языками высокого уровня.

Ассемблер — это практически самый древний язык программирования. До него было лишь программирование в машинных кодах 😉

Итак, какие же преимущества дает знание ассемблера:

  1. Глубокое понимание работы компьютера и операционной системы.
  2. Максимальная гибкость при работе с аппаратными ресурсами.
  3. Оптимизация программ по скорости выполнения.
  4. Оптимизация программ по размеру кода.
  5. Дизассемблирование и отладка.


Глубокое понимание работы компьютера и операционной системы.

Даже если вы пишете программу на языке высокого уровня, знание ассемблера поможет понять, как будет выполнятся программа, как хранятся переменные, как вызываются функции. А это позволит избежать многих очень неприятных ошибок. Есть такие люди, которые знают программирование только на уровне языка. То есть знают что надо написать, чтобы получить какой-то результат. А как оно работает, для них остается тайной, покрытой мраком. Человек, владеющий ассемблером, будет лучше программировать и на других языках.

Максимальная гибкость при работе с аппаратными ресурсами.

Используя ассемблер, можно делать с компьютером все что угодно! А языки высокого уровня ограничены компилятором и используемыми библиотеками. Такие современные языки, как Java и C# вобще не позволяют работать с аппаратными ресурсами и операционной системой напрямую.

Оптимизация программ по скорости выполнения.

Современные компиляторы довольно неплохо оптимизируют код, поэтому писать на ассемблере все подряд, конечно, не имеет смысла. Однако, если вы пишите прогу для шифрования или архивации больших файлов, то применение ассемблера позволит в несколько раз увеличить скорость выполнения программы. Причем достаточно реализовать на ассемблере небольшой критически важный участок программы, который производит вычисления или сложные преобразования, а интерфейс может быть написан на языке высокого уровня.

Оптимизация программ по размеру кода.

Программа на ассемблере, как правило, значительно меньше аналогичной программы на другом языке программирования. Для современных персональных компьютеров и серверов с терабайтными дисками и гигабайтами памяти это, конечно, врядли играет большую роль. Но для микроконтроллеров, где всего несколько килобайт памяти, маленький размер программы очень важен. Чем меньше программа, тем меньше памяти требуется и тем проще и дешевле будет используемая микросхема.

Дизассемблирование и отладка.

Знание ассемблера позволяет расковырять любую программу дизассемблером и изучить механизм её работы! Только представьте — можно залезть внутрь любой программы и посмотреть как она работает. Иногда бывает, что попадается интересная программа и не понятно, что там внутри, как она написана. Зная ассемблер, можно заглянуть внутрь любой программы и удовлетворить свое любопытство, даже не имея исходников.

Ассемблер очень может помочь при отладке. Иногда случаются ошибки и в компиляторах — очень злая тема. Вроде бы корректно написанный код выполняется вовсе не так, как предполагалось. Чтобы обнаружить такую ошибку надо посмотреть, во что скомпилился код, а разобраться в этом без ассемблера невозможно.

Следующая часть »

asmworld.ru

Список ресурсов для изучения Ассемблера / Habr

Доброго времени суток!
Некоторым программистам иногда приходит в голову мысль «а не изучить ли мне ассемблер?». Ведь на нем пишут самые (с некоторыми оговорками) маленькие и быстрые программы, да и охота ощутить вкус низкоуровневого программирования берет свое. Ну и для общего развития не повредит.
Мысль эта не обошла стороной и меня. Вдохновившись историей одного байта, я ринулся в бой…

… но оказалось, что найти материал по интересующей теме не так просто, как хотелось бы. Посему решено было создать на хабре пополняющийся пост-индекс статей/книг/мануалов/etc. об этом, несомненно, великом языке.
Под катом находится, собственно, список с краткими комментариями, разбитый по категориям.

UPD
В список начали добавляться ресурсы по программингу микроконтроллеров.

Для начала

Ресурсы

Книги

Для книг я выкладываю только названия, без ссылок (или с ссылкой на интернет-магазин), так как я не знаю отношения некоторых людей к скачиванию чьей-то интеллектуальной собственности. Кому надо — тот найдет, где скачать.
  • kpnc.opennet.ru — архив книг Криса Касперски
  • Галисеев Г. В. Ассемблер для Win 32. Самоучитель
  • Зубков С. В. Ассемблер для DOS, Windows и UNIX
  • Кип Ирвин. Язык ассемблера для процессоров Intel = Assembly Language for Intel-Based Computers
  • Калашников О. А. Ассемблер? Это просто! Учимся программировать
  • Крис Касперски. Искусство дизассемблирования
  • Владислав Пирогов. Ассемблер для Windows
  • Владислав Пирогов. Ассемблер и дизассемблирование
  • Ричард Саймон. Microsoft Windows API Справочник системного программиста
  • Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто!
  • Юров В., Хорошенко С. Assembler: учебный курс
  • Абель — Ассемблер. Язык и программирование для IBM PC
  • Эндрю Таненбаум — «Архитектура компьютера» — рекомендация lefty
  • Чарльз Петцольд — «Код» — рекомендация lefty
  • Assembly Language Step-by-step: Programming with DOS and Linux
  • Юрий Ревич «Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера» — рекомендация Ryav
  • Нортон П., Соухе Д. «Язык ассемблера для IBM PC» — рекомендация maotm
  • Григорьев В. Л. «Микропроцессор i486. Архитектура и программирование.» — рекомендация Ghost_nsk
  • Нортон П., Уилтон Р. «IBM PC и PS/2.руководство по программированию» — описана работа с прерываниями и простыми железками, рекомендация Ghost_nsk
Англоязычные ресурсы

Инструменты

Программинг микроконтроллеров

Прочее

  • zx.pk.ru — форум ZX Spectrum
  • bbs.pediy.com — форум по reverse engineering на китайском языке (спасибо KollinZ). Чтобы можно было понять о чем речь, можно воспользоваться кнопкой «перевести» в хроме (спасибо за совет mexanism)
  • old-dos.ru — крупнейший в Рунете архив старых программ
Заключение

Надеюсь эта статья будет полезна как новичкам, так и тем, кто ищет новых знаний. Если вы знаете какие-либо интересные ресурсы по теме, смело пишите в комментарии, пост создавался, чтобы пополняться.

P.S.: И, да, я очень надеюсь не увидеть в комментариях холивар Assembler vs. %anything% (или «стоит ли изучать ассемблер?»).

habr.com

Ассемблер. Базовый синтаксис | Уроки Ассемблера

  Обновл. 29 Сен 2019  | 

Программы на ассемблере могут быть разделены на три секции:

   Секция data

   Секция bss

   Секция text

Секции ассемблера

Секция data используется для объявления инициализированных данных или констант. Данные в этой секции не могут быть изменены во время выполнения. Вы можете хранить константные значения и названия файлов в этой секции. Синтаксис объявления:

Секция bss используется для объявления переменных. Синтаксис объявления:

Секция text используется для хранения кода программы. Данная секция должна начинаться с объявления global_start, которое сообщает ядру, откуда нужно начинать выполнение программы. Синтаксис объявления:

section.text global _start _start:

section.text

   global _start

_start:

Комментарии

Комментарии в ассемблере должны начинаться с точки с запятой (;). Они могут содержать любой печатный символ, включая пробел. Комментарий может находиться как на отдельной строке:

; эта программа выводит сообщение на экран

; эта программа выводит сообщение на экран

Так и на строке со стейтментом:

add eax, ebx ; добавляет ebx к eax

add eax, ebx     ; добавляет ebx к eax

Стейтменты

В ассемблере есть три вида стейтментов:

   Выполняемые инструкции (или просто «инструкции»), которые сообщают процессору, что нужно делать. Каждая инструкция хранит в себе код операции (или ещё «опкод») и генерирует одну инструкцию на машинном языке.

   Директивы ассемблера, которые сообщают программе об аспектах компиляции. Они не генерируют инструкции на машинном языке.

   Макросы, которые являются простым механизмом вставки кода.

В ассемблере на одну строку приходится один стейтмент, который должен соответствовать следующему формату:

[метка] mnemonic [операнды] [; комментарий]

[метка]   mnemonic   [операнды]   [; комментарий]

Базовая инструкция состоит из названия инструкции (mnemonic) и операндов (они же «параметры»). Вот примеры типичных стейтментов ассемблера:

INC COUNT ; выполняем инкремент переменной памяти COUNT MOV TOTAL, 48 ; перемещаем значение 48 в переменную памяти TOTAL ADD AH, BH ; добавляем содержимое регистра BH к регистру AH AND MASK1, 128 ; выполняем операцию AND с переменной MASK1 и 128 ADD MARKS, 10 ; добавляем 10 к переменной MARKS MOV AL, 10 ; перемещаем значение 10 в регистр AL

INC COUNT        ; выполняем инкремент переменной памяти COUNT

 

MOV TOTAL, 48    ; перемещаем значение 48 в переменную памяти TOTAL

  

ADD AH, BH       ; добавляем содержимое регистра BH к регистру AH

  

AND MASK1, 128   ; выполняем операцию AND с переменной MASK1 и 128

  

ADD MARKS, 10    ; добавляем 10 к переменной MARKS

MOV AL, 10       ; перемещаем значение 10 в регистр AL

Первая программа

Следующая программа на языке ассемблера выведет строку Hello, world! на экран:

section .text global _start ; необходимо для линкера (ld) _start: ; сообщает линкеру стартовую точку mov edx,len ; длина строки mov ecx,msg ; строка mov ebx,1 ; дескриптор файла (stdout) mov eax,4 ; номер системного вызова (sys_write) int 0x80 ; вызов ядра mov eax,1 ; номер системного вызова (sys_exit) int 0x80 ; вызов ядра section .data msg db 'Hello, world!', 0xa ; содержимое строки для вывода len equ $ - msg ; длина строки

section .text

   global _start    ; необходимо для линкера (ld)

_start:             ; сообщает линкеру стартовую точку

   mov edx,len     ; длина строки

   mov ecx,msg     ; строка

   mov ebx,1       ; дескриптор файла (stdout)

   mov eax,4       ; номер системного вызова (sys_write)

   int 0x80        ; вызов ядра

   mov eax,1       ; номер системного вызова (sys_exit)

   int 0x80        ; вызов ядра

 

section .data

msg db 'Hello, world!', 0xa  ; содержимое строки для вывода

len equ $ - msg              ; длина строки

Результат выполнения программы выше:

Hello, world!

Сборка программ

Убедитесь, что у вас установлен NASM. Запишите вашу программу в текстовом редакторе и сохраните её как hello.asm. Затем:

   откройте терминал;

   убедитесь, что вы находитесь в той же директории, в которой вы сохранили hello.asm;

   чтобы собрать программу, введите команду nasm -f elf hello.asm;

   если не было ошибок, то создастся объектный файл вашей программы под названием hello.o;

   чтобы ваш объектный файл прошёл линкинг и создался исполняемый файл под названием hello, введите команду ld -m elf_i386 -s -o hello hello.o;

   запустите программу, написав команду ./hello.

Если всё прошло успешно, то вам выведется Hello, world!.

Если у вас нет возможности скомпилировать программу, например, у вас нет Linux и вы пока не хотите на него переходить, то можете использовать одну из следующих онлайн-IDE:

   TutorialsPoint

   JDoodle

Примечание: Запоминать две команды выше для сборки программы на ассемблере для некоторых может быть несколько затруднительно, поэтому вы можете написать скрипт для сборки программ на ассемблере. Для этого создайте файл под названием Makefile со следующим содержанием:

all: nasm –f elf $(source) ld –m elf_i386 –s –o $(source) $(source).o rm $(source).o

all:

    nasm –f elf $(source)

    ld –m elf_i386 –s –o $(source) $(source).o

    rm $(source).o

Для сборки hello.asm выполните следующие действия:

   откройте терминал;

   убедитесь, что вы находитесь в той же директории, в которой вы сохранили hello.asm и Makefile;

   введите команду make source=hello.


Оценить статью:

Загрузка...

За репост +20 к карме и моя благодарность!

ravesli.com

Ассемблер - это... Что такое Ассемблер?

Эта статья — о компьютерных программах. О языке программирования см. Язык ассемблера.

Ассе́мблер (от англ. assembler — сборщик) — компьютерная программа, компилятор исходного текста программы, написанной на языке ассемблера, в программу на машинном языке.

Как и сам язык (ассемблера), ассемблеры, как правило, специфичны для конкретной архитектуры, операционной системы и варианта синтаксиса языка. Вместе с тем существуют мультиплатформенные или вовсе универсальные (точнее, ограниченно-универсальные, потому что на языке низкого уровня нельзя написать аппаратно-независимые программы) ассемблеры, которые могут работать на разных платформах и операционных системах. Среди последних можно также выделить группу кросс-ассемблеров, способных собирать машинный код и исполняемые модули (файлы) для других архитектур и ОС.

Ассемблирование может быть не первым и не последним этапом на пути получения исполнимого модуля программы. Так, многие компиляторы с языков программирования высокого уровня выдают результат в виде программы на языке ассемблера, которую в дальнейшем обрабатывает ассемблер. Также результатом ассемблирования может быть не исполнимый, а объектный модуль, содержащий разрозненные блоки машинного кода и данных программы, из которого (или из нескольких объектных модулей) в дальнейшем с помощью программы-компоновщика может быть скомпонован исполнимый файл.

Архитектура x86

Ассемблеры для DOS

Наиболее известными ассемблерами для операционной системы DOS являлись Borland Turbo Assembler (TASM), Microsoft Macro Assembler (MASM) и Watcom Assembler (WASM). Также в своё время был популярен простой ассемблер A86.

Windows

При появлении операционной системы Windows появилось расширение TASM, именуемое TASM 5+ (неофициальный пакет, созданный человеком с ником !tE), позволившее создавать программы для выполнения в среде Windows. Последняя известная версия TASM — 5.3, поддерживающая инструкции MMX, на данный момент включена в Turbo C++ Explorer. Но официально развитие программы полностью остановлено.

Microsoft поддерживает свой продукт под названием Microsoft Macro Assembler. Она продолжает развиваться и по сей день, последние версии включены в наборы DDK. Но версия программы, направленная на создание программ для DOS, не развивается. Кроме того, Стивен Хатчессон создал пакет для программирования на MASM под названием «MASM32».

GNU и GNU/Linux

В состав операционной системы GNU входит пакет binutils, включающий в себя ассемблер gas (GNU Assembler), использующий AT&T-синтаксис, в отличие от большинства других популярных ассемблеров, которые используют Intel-синтаксис (поддерживается с версии 2.10).

Переносимые ассемблеры

Также существует открытый проект ассемблера, версии которого доступны под различные операционные системы, и который позволяет получать объектные файлы для этих систем. Называется этот ассемблер NASM (Netwide Assembler).

Yasm — это переписанная с нуля версия NASM под лицензией BSD (с некоторыми исключениями).

flat assembler (fasm) — молодой ассемблер под модифицированной для запрета перелицензирования (в том числе под GNU GPL) BSD-лицензией. Есть версии для KolibriOS, Linux, DOS и Windows; использует Intel-синтаксис и поддерживает инструкции x86-64.

Архитектуры RISC

MCS-51

MCS-51 (Intel 8051) — классическая архитектура микроконтроллера. Для неё существует кросс-ассемблер ASM51, выпущенный корпорацией MetaLink.

Кроме того, многие фирмы — разработчики программного обеспечения, такие как IAR или Keil, представили свои варианты ассемблеров. В ряде случаев применение этих ассемблеров оказывается более эффективным благодаря удобному набору директив и наличию среды программирования, объединяющей в себе профессиональный ассемблер и язык программирования Си, отладчик и менеджер программных проектов.

AVR

На данный момент существуют 3 компилятора производства Atmel (AVRStudio 3, AVRStudio 4, AVRStudio 5 и AVRStudio 6).

В рамках проекта AVR-GCC (он же WinAVR) существует компилятор avr-as (это портированный под AVR ассемблер GNU as из GCC).

Также существует свободный минималистический компилятор avra[1].

ARM

PIC

Пример программы на языке Assembler для микроконтроллера PIC16F628A:

 
        LIST    p=16F628A
         __CONFIG 0309H 
 
STATUS  equ     0x003
TRISB   equ     0x086
PORTB   equ     0x006
RP0     equ     5
        org  0
        goto start
start:
        bsf     STATUS,RP0             
        movlw   .00      
        movwf   TRISB                    
        bcf     STATUS,RP0        
led:
        movlw   .170   
        movwf   PORTB
        goto    led
end

AVR32

MSP430

Пример программы на языке Assembler для микроконтроллера MSP430G2231 (в среде Code Composer Studio):

 
 .cdecls C,LIST,  "msp430g2231.h"
;------------------------------------------------------------------------------
            .text                           ; Program Start
;------------------------------------------------------------------------------
RESET       mov.w   #0280h,SP               ; Initialize stackpointer
StopWDT     mov.w   #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL  ; Stop WDT
SetupP1     bis.b   #001h,&P1DIR            ; P1.0 output
                                            ;                                                           
Mainloop    bit.b   #010h,&P1IN             ; P1.4 hi/low?
            jc      ON                      ; jmp--> P1.4 is set
                                            ;
OFF         bic.b   #001h,&P1OUT            ; P1.0 = 0 / LED OFF
            jmp     Mainloop                ;
ON          bis.b   #001h,&P1OUT            ; P1.0 = 1 / LED ON
            jmp     Mainloop                ;
                                            ;
;------------------------------------------------------------------------------
;           Interrupt Vectors
;------------------------------------------------------------------------------
            .sect   ".reset"                ; MSP430 RESET Vector
            .short  RESET                   ;
            .end

PowerPC

Программный пакет The PowerPC Software Development Toolset от IBM включает в себя ассемблер для PowerPC.

MIPS

Архитектуры MISC

SeaForth

Существуют:

  • 8-разрядные Flash-контроллеры семейства MCS-51
  • 8-разрядные RISC-контроллеры семейства AVR (ATtiny, ATmega, classic AVR). На данный момент семейство classic AVR трансформировано в ATtiny и ATmega
  • 8-разрядные RISC-контроллеры семейства PIC (PIC10,PIC12,PIC16,PIC18)
  • 16-разрядные RISC-контроллеры семейства PIC (PIC24HJ/FJ,dsPIC30/33)
  • 32-разрядные RISC-контроллеры семейства PIC (PIC32) с архитектурой MIPS32 M4K
  • 32-разрядные RISC-контроллеры семейства AVR32 (AVR32)
  • 32-разрядные RISC-контроллеры семейства ARM Thumb высокой производительности (серия AT91)

Макроассемблер

Не следует путать с MASM.

Макроассемблер (от греч. μάκρος — большой, обширный) — макропроцессор, базовым языком которого является язык ассемблера.[2]

Ассемблирование и компилирование

Процесс трансляции программы на языке ассемблера в объектный код принято называть ассемблированием. В отличие от компилирования, ассемблирование — более или менее однозначный и обратимый процесс. В языке ассемблера каждой мнемонике соответствует одна машинная инструкция, в то время как в языках программирования высокого уровня за каждым выражением может скрываться большое количество различных инструкций. В принципе, это деление достаточно условно, поэтому иногда трансляцию ассемблерных программ также называют компиляцией.

Примечания

См. также

Литература

  • Вострикова З. П. Программирование на языке ассемблера ЕС ЭВМ. М.: Наука, 1985.
  • Галисеев Г. В. Ассемблер для Win 32. Самоучитель. — М.: Диалектика, 2007. — С. 368. — ISBN 978-5-8459-1197-1
  • Зубков С. В. Ассемблер для DOS, Windows и UNIX.
  • Кип Ирвина. Язык ассемблера для процессоров Intel = Assembly Language for Intel-Based Computers. — М.: Вильямс, 2005. — С. 912. — ISBN 0-13-091013-9
  • Калашников О. А. Ассемблер? Это просто! Учимся программировать. — БХВ-Петербург, 2011. — С. 336. — ISBN 978-5-9775-0591-8
  • Магда Ю. С. Ассемблер. Разработка и оптимизация Windows-приложений. СПб.: БХВ-Петербург, 2003.
  • Нортон П., Соухэ Д. Язык ассемблера для IBM PC. М.: Компьютер, 1992.
  • Владислав Пирогов. Ассемблер для Windows. — СПб.: БХВ-Петербург, 2002. — 896 с. — ISBN 978-5-9775-0084-5
  • Владислав Пирогов. Ассемблер и дизассемблирование. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 464 с. — ISBN 5-94157-677-3
  • Сингер М. Мини-ЭВМ PDP-11: Программирование на языке ассемблера и организация машины. М.: Мир, 1984.
  • Скэнлон Л. Персональные ЭВМ IBM PC и XT. Программирование на языке ассемблера. М.: Радио и связь, 1989.
  • Юров В., Хорошенко С. Assembler: учебный курс. — СПб.: Питер, 2000. — С. 672. — ISBN 5-314-00047-4
  • Юров В. И. Assembler: учебник для вузов / 2-е изд. СПб.: Питер, 2004.
  • Юров В. И. Assembler. Практикум: учебник для вузов / 2-е изд. СПб.: Питер, 2004.
  • Юров В. И. Assembler. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2000.

Ссылки

dic.academic.ru

Простая программа на ассемблере x86: Решето Эратосфена / Habr

Вступительное слово

По своей профессии я не сталкиваюсь с низкоуровневым программированием: занимаюсь программированием на скриптовых языках. Но поскольку душа требует разнообразия, расширения горизонтов знаний или просто понимания, как работает машина на низком уровне, я занимаюсь программированием на языках, отличающихся от тех, с помощью которых зарабатываю деньги – такое у меня хобби.

И вот, я хотел бы поделиться опытом создания простой программы на языке ассемблера для процессоров семейства x86, с разбора которой можно начать свой путь в покорение низин уровней абстракции.

До ее написания я сформулировал такие требования к будущей программе:

  • Моя программа не должна быть программой под DOS. Слишком много примеров ориентировано на нее в связи с простым API. Моя программа обязательно должна была запускаться на современных ОС.
  • Программа должна использовать кучу – получать в свое распоряжение динамически распределяемую память.
  • Чтобы не быть слишком сложной, программа должна работать с целыми беззнаковыми числами без использования переносов.

Задачей для своей программы я выбрал поиск простых чисел с помощью Решета Эратосфена. В качестве ассемблера я выбрал nasm.

Код я писал с упором больше на стиль и понятность, чем на скорость его выполнения. К примеру, обнуление регистра я проводил не с помощью xor eax, eax, а с помощью mov eax, 0 в связи с более подходящей семантикой инструкции. Я решил, что поскольку программа преследует исключительно учебные цели, можно распоясаться и заниматься погоней за стилем кода в ассемблере.

Итак, посмотрим, что получилось.

С чего начать?

Пожалуй, самая сложная вещь, с которой сталкиваешься при переходе от высокоуровневых языков к ассемблеру, это организация памяти. К счастью, на эту тему на Хабре уже была хорошая статья.

Так же встает вопрос, каким образом на таком низком уровне реализуется обмен данными между внутренним миром программы и внешней средой. Тут на сцену выходит API операционной системы. В DOS, как уже было упомянуто, интерфейс был достаточно простой. К примеру, программа «Hello, world» выглядела так:

SECTION .text
    org 0x100

    mov ah, 0x9
    mov dx, hello
    int 0x21
    
    mov ax, 0x4c00
    int 0x21

SECTION .data
    hello: db "Hello, world!", 0xD, 0xA, '$'

В Windows же для этих целей используется Win32 API, соответственно, программа должна использовать методы соответствующих библиотек:

%include "win32n.inc"

extern MessageBoxA
import MessageBoxA user32.dll
extern ExitProcess
import ExitProcess kernel32.dll

SECTION code use32 class=code
    ..start:

    push UINT MB_OK
    push LPCTSTR window_title
    push LPCTSTR banner
    push HWND NULL
    call [MessageBoxA]

    push UINT NULL
    call [ExitProcess]

SECTION data use32 class=data
    banner: db "Hello, world!", 0xD, 0xA, 0
    window_title: db "Hello", 0

Здесь используется файл win32n.inc, где определены макросы, сокращающие код для работы с Win32 API.

Я решил не использовать напрямую API ОС и выбрал путь использования функций из библиотеки Си. Так же это открыло возможность компиляции программы в Linux (и, скорее всего, в других ОС) – не слишком большое и нужное этой программе достижение, но приятное достижение.

Вызов подпрограмм

Потребность вызывать подпрограммы влечет за собой несколько тем для изучения: организация подпрограмм, передача аргументов, создание стекового кадра, работа с локальными переменными.

Подпрограммы представляют собой метку, по которой располагается код. Заканчивается подпрограмма инструкцией ret. К примеру, вот такая подпрограмма в DOS выводит в консоль строку «Hello, world»:

print_hello:
    mov ah, 0x9
    mov dx, hello
    int 0x21
    ret

Для ее вызова нужно было бы использовать инструкцию call:

call print_hello

Для себя я решил передавать аргументы подпрограммам через регистры и указывать в комментариях, в каких регистрах какие аргументы должны быть, но в языках высокого уровня аргументы передаются через стек. К примеру, вот так вызывается функция printf из библиотеки Си:

push hello
call _printf
add esp, 4

Аргументы передаются справа налево, обязанность по очистке стека лежит на вызывающей стороне.

При входе в подпрограмму необходимо создать новый стековый кадр. Делается это следующим образом:

print_hello:
    push ebp ;сохраняем указатель начала стекового кадра на стеке
    mov ebp, esp ;теперь началом кадра является вершина предыдущего

Соответственно, перед выходом нужно восстановить прежнее состояние стека:

    mov esp, ebp
    pop ebp
    ret

Для локальных переменных так же используется стек, на котором после создания нового кадра выделяется нужное количество байт:

print_hello:
    push ebp
    mov ebp, esp
    sub esp, 8 ;опускаем указатель вершины стека на 8 байт, чтобы выделить память

Так же архитектура x86 предоставляет специальные инструкции, с помощью которых можно более лаконично реализовать эти действия:

print_hello:
    enter 8, 0 ;создать новый кадр, выделить 8 байт для локальных переменных

    leave ;восстановить стек
    ret

Второй параметр инструкции enter – уровень вложенности подпрограммы. Он нужен для линковки с языками высокого уровня, поддерживающими такую методику организации подпрограмм. В нашем случае это значение можно оставить нулевым.

Непосредственно программа

Проект содержит такие файлы:
  • main.asm – главный файл,
  • functions.asm – подпрограммы,
  • string_constants.asm – определения строковых констант,
  • Makefile – сценарий сборки

Рассмотрим код основного файла:main.asm
%define SUCCESS 0
%define MIN_MAX_NUMBER 3
%define MAX_MAX_NUMBER 4294967294

global _main
extern _printf
extern _scanf
extern _malloc
extern _free

SECTION .text
_main:
	enter 0, 0
	
	;ввод максимального числа
	call input_max_number
	cmp edx, SUCCESS
	jne .custom_exit
	mov [max_number], eax
	
	;выделяем память для массива флагов
	mov eax, [max_number]
	call allocate_flags_memory
	cmp edx, SUCCESS
	jne .custom_exit
	mov [primes_pointer], eax
	
	;отсеять составные числа
	mov eax, [primes_pointer]
	mov ebx, [max_number]
	call find_primes_with_eratosthenes_sieve
	
	;вывести числа
	mov eax, [primes_pointer]
	mov ebx, [max_number]
	call print_primes
	
	;освободить память от массива флагов
	mov eax, [primes_pointer]
	call free_flags_memory
	
	;выход
	.success:
		push str_exit_success
		call _printf
		jmp .return
			
	.custom_exit:
		push edx
		call _printf
		
	.return:
		mov eax, SUCCESS
		leave
		ret
	
	%include "functions.asm"

SECTION .data
	max_number: dd 0
	primes_pointer: dd 0
	
	%include "string_constants.asm"


Видно, что программа поделена по смыслу на 5 блоков, оформленных в виде подпрограмм:
  1. input_max_number — с помощью консоли запрашивает у пользователя максимальное число, до которого производится поиск простых; во избежание ошибок значение ограничено константами MIN_MAX_NUMBER и MAX_MAX_NUMBER
  2. allocate_flags_memory — запросить у ОС выделение памяти для массива пометок чисел (простое/составное) в куче; в случае успеха возвращает указатель на выделенную память через регистр eax
  3. find_primes_with_eratosthenes_sieve — отсеять составные числа с помощью классического решета Эратосфена;
  4. print_primes — вывести в консоль список простых чисел;
  5. free_flags_memory — освободить память, выделенную для флагов

Для функций было условлено такое правило: значение возвращается через регистр eax, регистр edx содержит статус. В случае успеха он содержит значение SUCCESS, то есть, 0, в случае неудачи — адрес строки с сообщением об ошибке, которое будет выведено пользователю.

Файл string_constants.asm содержит определение строковых переменных, значения которых, как намекает название файла, менять не предполагается. Только ради этих переменных было сделано исключение к правилу «не использовать глобальные переменные». Я так и не нашел более удобного способа доставлять строковые константы функциям ввода-вывода – подумывал даже записывать на стек непосредственно перед вызовами функций, но решил, что эта идея куда хуже идеи с глобальными переменными.

string_constants.asm
;подписи ввода-вывода, форматы
str_max_number_label: db "Max number (>=3): ", 0
str_max_number_input_format: db "%u", 0
str_max_number_output_format: db "Using max number %u", 0xD, 0xA, 0

str_print_primes_label: db "Primes:", 0xD, 0xA, 0
str_prime: db "%u", 0x9, 0
str_cr_lf: db 0xD, 0xA, 0
	
;сообщения выхода
str_exit_success: db "Success!", 0xD, 0xA, 0
str_error_max_num_too_little: db "Max number is too little!", 0xD, 0xA, 0
str_error_max_num_too_big: db "Max number is too big!", 0xD, 0xA, 0
str_error_malloc_failed: db "Can't allocate memory!", 0xD, 0xA, 0


Для сборки применяется такой сценарий:Makefile
ifdef SystemRoot
   format = win32
   rm = del
   ext = .exe
else
   format = elf
   rm = rm -f
   ext = 
endif

all: primes.o
	gcc primes.o -o primes$(ext)
	$(rm) primes.o

primes.o:
	nasm -f $(format) main.asm -o primes.o

Подпрограммы (функции)

input_max_number

Код подпрограммы
; Ввести максимальное число
; Результат: EAX - максимальное число
input_max_number:	
	;создать стек-фрейм,
	;4 байта для локальных переменных
	enter 4, 1

	;показываем подпись
	push str_max_number_label ;см. string_constants.asm
	call _printf
	add esp, 4

	;вызываем scanf
	mov eax, ebp
	sub eax, 4
	
	push eax
	push str_max_number_input_format ;см. string_constants.asm
	call _scanf
	add esp, 8
	
	mov eax, [ebp-4]

	;проверка
	cmp eax, MIN_MAX_NUMBER
	jb .number_too_little
	cmp eax, MAX_MAX_NUMBER
	ja .number_too_big
	jmp .success

	;выход
	.number_too_little:
		mov edx, str_error_max_num_too_little ;см. string_constants.asm
		jmp .return	
		
	.number_too_big:
		mov edx, str_error_max_num_too_big ;см. string_constants.asm
		jmp .return	

	.success:
		push eax
		push str_max_number_output_format ;см. string_constants.asm
		call _printf
		add esp, 4
		pop eax
		mov edx, SUCCESS
	
	.return:
		leave
		ret


Подпрограмма призвана ввести в программу максимальное число, до которого будет производиться поиск простых. Ключевым моментов тут является вызов функции scanf из библиотеки Си:
        mov eax, ebp
        sub eax, 4
	
        push eax
        push str_max_number_input_format ;см. string_constants.asm
        call _scanf
        add esp, 8
	
        mov eax, [ebp-4]

Таким образом, сначала в eax записывается адрес памяти на 4 байта ниже указателя базы стека. Это память, выделенная для локальных нужд подпрограммы. Указатель на эту память передается функции scanf как цель для записи данных, введенных с клавиатуры.

После вызова функции, в eax из памяти перемещается введенное значение.

allocate_flags_memory и free_flags_memory

Код подпрограмм
; Выделить память для массива флагов
; Аргумент: EAX - максимальное число
; Результат: EAX - указатель на память
allocate_flags_memory:
	enter 8, 1

	;выделить EAX+1 байт
	inc eax
	mov [ebp-4], eax
	
	push eax
	call _malloc
	add esp, 4
	
	;проверка
	cmp eax, 0
	je .fail
	mov [ebp-8], eax
	
	;инициализация
	mov byte [eax], 0
	
	cld
	mov edi, eax
	inc edi
	mov edx, [ebp-4]
	add edx, eax
	
	mov al, 1
	.write_true:
		stosb
		cmp edi, edx
		jb .write_true
	
	;выход
	mov eax, [ebp-8]
	jmp .success
	
	.fail:
		mov edx, str_error_malloc_failed ;см. string_constants.asm
		jmp .return
	
	.success:
		mov edx, SUCCESS
			
	.return:
		leave
		ret

; Освободить память от массива флагов
; Аргумент: EAX - указатель на память
free_flags_memory:
	enter 0, 1
	
	push eax
	call _free
	add esp, 4
	
	leave
	ret


Ключевыми местами этих подпрограмм являются вызовы функций malloc и free из библиотеки Си.

malloc в случае удачи возвращает через регистр eax адрес выделенной памяти, в случае неудачи этот регистр содержит 0. Это самое узкое место программы касательно максимального числа. 32 бит вполне достаточно для поиска простых чисел до 4 294 967 295, но выделить разом столько памяти не получится.

find_primes_with_eratosthenes_sieve

Код подпрограммы
;Найти простые числа с помощью решета Эратосфена
;Аргументы: EAX - указатель на массив флагов, EBX - максимальное число	
find_primes_with_eratosthenes_sieve:
	enter 8, 1
	mov [ebp-4], eax
		
	add eax, ebx
	inc eax
	mov [ebp-8], eax
	
	;вычеркиваем составные числа
	cld
	mov edx, 2 ;p = 2
	mov ecx, 2 ;множитель с = 2
	.strike_out_cycle:
		;x = c*p
		mov eax, edx
		push edx
		mul ecx
		pop edx
		
		cmp eax, ebx
		jbe .strike_out_number
		jmp .increase_p
		
		.strike_out_number:
			mov edi, [ebp-4]
			add edi, eax
			mov byte [edi], 0
			inc ecx ;c = c + 1
			jmp .strike_out_cycle
			
		.increase_p:
			mov esi, [ebp-4]
			add esi, edx
			inc esi
			
			mov ecx, edx
			inc ecx
			.check_current_number:
				mov eax, ecx
				mul eax
				cmp eax, ebx
				ja .return
			
				lodsb
				inc ecx
				cmp al, 0
				jne .new_p_found
				jmp .check_current_number
			
				.new_p_found:
					mov edx, ecx
					dec edx
					mov ecx, 2
					jmp .strike_out_cycle			
	
	.return:
		leave
		ret

Подпрограмма реализует классический алгоритм для вычеркивания составных чисел, решето Эратосфена, на языке ассемблера x86. Приятна тем, что не использует вызовы внешних функций и не требует обработки ошибок 🙂

print_primes

Код подпрограммы
; Вывести простые числа
; Параметры: EAX - указатель на массив флагов, EBX - максимальное число
print_primes:
	enter 12, 1
	mov [ebp-4], eax
	mov [ebp-8], ebx
	
	push str_print_primes_label
	call _printf
	add esp, 4
	
	cld
	mov esi, [ebp-4]
	mov edx, esi
	add edx, [ebp-8]
	inc edx
	
	mov [ebp-12], edx
	mov ecx, 0
	.print_cycle:
		lodsb
		cmp al, 0
		jne .print
		jmp .check_finish
		.print:
			push esi
			push ecx
			push str_prime ;см. string_constants.asm
			call _printf
			add esp, 4
			pop ecx
			pop esi
			mov edx, [ebp-12]
		.check_finish:
			inc ecx
			cmp esi, edx
			jb .print_cycle
			
	push str_cr_lf
	call _printf
	add esp, 4
			
	leave
	ret


Подпрограмма выводит в консоль простые числа. Ключевым моментом тут является вызов функции printf из библиотеки Си.
Заключение

Что ж, программа отвечает всем сформулированным требованиям и, кажется, проста для понимания. Хочется надеяться, кому-нибудь ее разбор поможет вникнуть в программирование на низком уровне и он получит от него такое же удовольствие, какое получил я.

Так же привожу полные исходники программы.

Могу так же привести интересный факт. Поскольку с детства нас учили, что программы на языке ассемблера выполняются быстрее, я решил сравнить скорость выполнения этой программы со скоростью программы на C++, которую я писал когда-то и которая искала простые числа с помощью Решета Аткина. Программа на С++, скомпилированная в Visual Studio с /O2 выполняла поиск до числа 230 примерно за 25 секунд на моей машине. Программа же на ассемблере показала 15 секунд с Решетом Эратосфена.

Это, конечно, скорее байка, чем научный факт, поскольку не было серьезного тестирования не было выяснения причин, но как интересный факт для завершения статьи подойдет, как мне кажется.

Полезные ссылки

  1. Список ресурсов для изучения ассемблера
  2. Организация памяти
  3. Решето Эратосфена
  4. Решето Аткина
  5. Стек
  6. Стековый кадр

habr.com

Постигаем Си глубже, используя ассемблер / Habr

Вдохновением послужила эта статья: Разбираемся в С, изучая ассемблер. Продолжение так и не вышло, хотя тема интересная. Многие бы хотели писать код и понимать, как он работает. Поэтому я запущу цикл статей о том, как выглядит Си-код после декомпиляции, попутно разбирая основные структуры кода.

От читающих потребуются хотя бы базовые знания в следующих вещах:
  • регистры процессора
  • стек
  • представление чисел в компьютере
  • синтаксис ассемблера и Си

Но если у вас их нет, а тема вам интересна, то все это можно быстро загуглить в процессе чтения статьи. Статья не рассчитана совсем уж на новичков, но я старательно разжевывал многие простые вещи, чтобы новичкам было от чего отталкиваться.

Что будем использовать?


  1. Нам понадобится компилятор Си, который поддерживает современный стандарт. Можно воспользоваться онлайн компилятором на сайте ideone.com.
  2. Так же нам нужен декомпилятор, опять же, можно воспользоваться онлайн декомпилятором на сайте godbolt.org.
  3. Можно так же взять компилятор для ассемблера, который есть на ideone по ссылке выше.

Почему у нас все онлайн? Потому что это удобно для разрешения спорных ситуаций из-за различных версий и операционных систем. Компиляторов много, декомпиляторов так же хватает, не хотелось бы в дискуссии учитывать особенности каждого.

При более основательном подходе к изучению, лучше пользоваться оффлайн версиями компиляторов, можете взять связку из актуального gcc, OllyDbg и NASM. Отличия должны быть минимальны.

Простейшая программа


Эта статья не стремится повторить ту, которую я приводил в самом начале. Но начинать нужно с азов, поэтому часть материала будет вынуждено пересекаться. Надеюсь на понимание.

Первое, что нужно усвоить, компилятор даже при оптимизации нулевого уровня (-O0), может вырезать код, написанный программистом. Поэтому код следующего вида:

int main(void) 
{
	5 + 3;
	return 0;
}

Ничем не будет отличаться от:
int main(void) 
{
	return 0;
}

Поэтому придется писать таким образом, чтобы при декомпиляции мы, все же, увидели превращение нашего кода во что-то осмысленное, поэтому примеры могут выглядеть, как минимум странно.

Второе, нам нужны флаги компиляции. Достаточно двух: -O0 и -m32. Этим мы задаем нулевой уровень оптимизации и 32-битный режим. С оптимизаций должно быть очевидно: нам не хочется видеть интерпретацию нашего кода в asm, а не оптимизированного. С режимом тоже должно быть очевидно: меньше регистров — больше внимания к сути. Хотя эти флаги я буду периодически менять, чтобы углубляться в материал.

Таким образом, если вы пользуетесь gcc, то компиляция может выглядеть так:

gcc source.c -O0 -m32 -o source

Соответственно, если вы пользуетесь godbolt, то вам нужно указать эти флаги в строку ввода рядом с выбором компилятора. (Первые примеры я демонстрирую на gcc 4.4.7, потом поменяю на более поздний)

Теперь, можно посмотреть первый пример:

int main(void) 
{
	register int a = 1; //записываем в регистровую переменную 1
	return a; //возвращаем значение из регистровой переменной
}

Итак, следующий код соответствует этому:
push 		ebp
mov 		ebp, esp

push 		ebx
mov 		ebx, 1
mov 		eax, ebx

pop 		ebx
pop 		ebp
ret

Первые две строчки соответствую прологу функции (точнее три, но третью хочу пояснить сейчас), и мы их разберем в статье о функциях. Сейчас просто не обращайте на них внимание, тоже самое касается последних 3х строчек. Если вы не знаете asm, давайте смотреть, что означают эти команды.

Инструкции ассемблера имеют вид:

mnemonic dst, src
т. е.

инструкция получатель, источник

Тут нужно оговориться, что AT&T-синтаксис имеет другой порядок, и потом мы к нему еще вернемся, но сейчас нас интересует синтаксис схожий с NASM.

Начнем с инструкции mov. Эта инструкция перемещает из памяти в регистры или из регистров в память. В нашем случае она перемещает число 1 в регистр ebx.

Давайте кратко о регистрах: в архитектуре x86 восемь 32х битных регистров общего назначения, это значит, что эти регистры могут быть использованы программистом (в нашем случае компилятором) при написании программ. Регистры ebp, esp, esi и edi компилятор будет использовать в особых случаях, которые мы рассмотрим позже, а регистры eax, ebx, ecx и edx компилятор будет использовать для всех остальных нужд.

Таким образом mov ebx, 1, прямо соответствует строке register int a = 1;

И означает, что в регистр ebx было перемещено значение 1.

А строчка mov eax, ebx, будет означать, что в регистр eax будет перемещено значение из регистра ebx.

Есть еще две строчки push ebx и pop ebx. Если вы знакомы с понятием «стек», то догадываетесь, что сначала компилятор поместил ebx в стек, тем самым запомнил старое значение регистра, а после окончания работы программы, вернул из стека это значение обратно в регистр ebx.

Почему компилятор помещает значение 1 из регистра ebx в eax? Это связано с соглашением о вызовах функций языка Си. Там несколько пунктов, все они нас сейчас не интересуют. Важно то, что результат возвращается в eax, если это возможно. Таким образом понятно, почему единица в итоге оказывается в eax.

Но теперь логичный вопрос, а зачем понадобился ebx? Почему нельзя было написать сразу mov eax, 1? Все дело в уровне оптимизации. Я же говорил: компилятор не должен вырезать наш код, а мы написали не return 1, мы использовали регистровую переменную. Т. е. компилятор сначала поместил значение в регистр, а затем, следуя соглашению, вернул результат. Поменяйте уровень оптимизации на любой другой, и вы увидите, что регистр ebx, действительно, не нужен.

Кстати, если вы пользуетесь godbolt, то вы можете наводить мышкой на строку в Си, и вам подсветится соответствующий этой строке код в asm, при условии, что эта строка выделена цветом.

Стек


Усложним пример и перестанем пользоваться регистровыми переменными (Вы же их нечасто используете?). Посмотрим во что превратится такой код:
int main(void) 
{
	int a = 1; //записываем в переменную 1
	int b = a + 5; //прибавим к 'a' 5 и сораним в 'b'
	return b; //возвращаем значение из переменной
}

ASM:
push 		ebp
mov 		ebp, esp
sub 		esp, 16

mov 		DWORD PTR [ebp-8], 1
mov 		eax, DWORD PTR [ebp-8]
add 		eax, 5
mov 		DWORD PTR [ebp-4], eax
mov 		eax, DWORD PTR [ebp-4]

leave
ret

Опять же, пропустим верхние 3 строчки и нижние 2. Теперь у нас переменная а локальная, следовательно память ей выделяется на стеке. Поэтому мы видим следующую магию: DWORD PTR [ebp-8], что же она означает? DWORD PTR — это переменная типа двойного слова. Слово — это 16 бит. Термин получил распространение в эпоху 16-ти битных процессоров, тогда в регистр помещалось ровно 16 бит. Такой объем информации стали называть словом (word). Т. е. в нашем случае dword (double word) 2*16 = 32 бита = 4 байта (обычный int).

В регистре ebp содержится адрес на вершину стека для текущей функции (мы к этому еще вернемся, потом), поэтому он смещается на 4 байта, чтобы не затереть сам адрес и дописывает значение нашей переменной. Только, в нашем случае он смещается на 8 байт для переменной a. Но если вы посмотрите на код ниже, то увидите, что переменная b лежит со смещением в 4 байта. Квадратные скобки означают адрес. Т. е. это строка работает следующим образом: на основе адреса, хранящегося в ebp, компилятор помещает значение 1 по адресу ebp-8 размера 4 байта. Почему минус восемь, а не плюс. Потому что плюсу бы соответствовали параметры, переданные в эту функцию, но опять же, обсудим это позже.

Следующая строка перемещает значение 1 в регистр eax. Думаю, это не нуждается в подробных объяснениях.

Далее у нас новая инструкция add, которая осуществляет добавление (сложение). Т. е. к значению в eax (1) добавляется 5, теперь в eax находится значение 6.

После этого нужно переместить значение 6 в переменную b, что и делается следующей строкой (переменная b находится в стеке по смещению 4).

Наконец, нам нужно вернуть значение переменной b, следовательно нужно переместить
значение в регистр eax (mov eax, DWORD PTR [ebp-4]).

Если с предыдущим все понятно, то можно переходить, к более сложному.

Интересные и не очень очевидные вещи.


Что произойдет, если мы напишем следующее: int var = 2.5;

Каждый из вас, я думаю, ответит верно, что в var будет значение 2. Но что произойдет с дробной частью? Она отбросится, проигнорируется, будет ли преобразование типа? Давайте посмотрим:

ASM:

mov DWORD PTR [ebp-4], 2

Компилятор сам отбросил дробную часть за ненадобностью.

Что произойдет, если написать так: int var = 2 + 3;

ASM:

mov DWORD PTR [ebp-4], 5

И мы узнаем, что компилятор сам способен вычислять константы. А в данном случае: так как 2 и 3 являются константами, то их сумму можно вычислить на этапе компиляции. Поэтому можно не забивать себе голову вычислением таких констант, компилятор может сделать работу за вас. Например, перевод в секунды из часов можно записать, как hours * 60 * 60. Но скорее, в пример тут стоит поставить операции над константами, которые объявлены в коде.

Что произойдет, если напишем такой код:

int a = 1;
int b = a * 2;
mov 		DWORD PTR [ebp-8], 1
mov 		eax, DWORD PTR [ebp-8]
add 		eax, eax
mov 		DWORD PTR [ebp-4], eax

Интересно, не правда ли? Компилятор решил не пользоваться операцией умножения, а просто сложил два числа, что и есть — умножить на 2. (Я уже не буду подробно описывать эти строки, вы должны понять их, исходя из предыдущего материала)

Вы могли слышать, что операция «умножение» выполняется дольше, чем операция «сложение». Именно по этим соображениям компилятор оптимизирует такие простые вещи.

Но усложним ему задачу и напишем так:

int a = 1;
int b = a * 3;

ASM
mov DWORD PTR [ebp-8], 1
mov edx, DWORD PTR [ebp-8]
mov eax, edx
add eax, eax
add eax, edx
mov DWORD PTR [ebp-4], eax

Пусть вас не вводит в заблуждение использование нового регистра edx, он ничем не хуже eax или ebx. Может понадобиться время, но вы должны увидеть, что единица попадает в регистр edx, затем в регистр eax, после чего значение eax складывается само с собой и после уже добавляется еще одна единица из edx. Таким образом, мы получили 1+1+1.

Знаете, бесконечно он так делать не будет, уже на *4, компилятор выдаст следующее:

mov DWORD PTR [ebp-8], 1
mov eax, DWORD PTR [ebp-8]
sal eax, 2
mov DWORD PTR [ebp-4], eax
mov eax, 0

Итак, у нас новая инструкция sal, что же она делает? Это двоичный сдвиг влево. Эквивалентно следующему коду в Си:
int a = 1;
int b = a << 2;

Для тех, кто не очень понимает, как работает этот оператор:

0001 сдвигаем влево (или добавляем справа) на два нуля: 0100 (т. е. 4 в 10ой системе счисления). По своей сути сдвиг влево на 2 разряда — это умножение на 4.

Забавно, что если вы умножите на 5, то компилятор сделает один sal и один add, можете сами потестировать разные числа.

На 22, компилятор на godbolt.org сдается и использует умножение, но до этого числа он пытается выкрутиться самыми разными способами. Даже вычитание использует и еще некоторые инструкции, которые мы еще не обсуждали.

Ладно, это были цветочки, а что вы думаете по поводу следующего кода:

int a = 2;
int b = a / 2;

Если вы ожидаете вычитания, то увы — нет. Компилятор будет выдавать более изощренные методы. Операция «деление» еще медленнее умножения, поэтому компилятор будет также выкручиваться:
mov 		DWORD PTR [ebp-4], 2
mov 		eax, DWORD PTR [ebp-4]
mov 		edx, eax
shr 		edx, 31
add 		eax, edx
sar 		eax
mov 		DWORD PTR [ebp-8], eax

Следует сказать, что для этого кода я выбрал компилятор существенно более поздней версии (gcc 7.2), до этого я приводил в пример gcc 4.4.7. Для ранних примеров существенных отличий не было, для этого примера они используют разные инструкции в 5ой строчке кода. И пример, сгенерированный 7.2, мне сейчас легче вам объяснить.

Стоит обратить внимание, что теперь переменная a находится в стеке по смещению 4, а не 8 и сразу же забыть об этом незначительном отличии. Ключевые моменты начинаются с mov edx, eax. Но пока пропустим значение этой строки. Инструкция shr осуществляет двоичный сдвиг вправо (т. е. деление на 2, если бы было shr edx, 1). И тут некоторые смогут подумать, а почему, действительно, не написать shr edx, 1, это же то, что делает код в Си? Но не все так просто.

Давайте проведем небольшую оптимизацию и посмотрим на что это повлияет. В действительности, мы нашим кодом выполняем целочисленное деление. Так как переменная «a» является целочисленным типом и 2 константа типа int, то результат никак не может получиться дробным по логике Си. И это хорошо, так как делить целочисленные числа быстрее и проще, но у нас знаковые числа, а это значит, что отрицательное число при делении инструкцией shr может отличаться на единицу от правильного ответа. (Это все из-за того, что 0 влезает по середине диапазона для знаковых типов). Если мы заменим знаковое деление на unsigned:

unsigned int a = 2;
unsigned int b = a / 2;

То получим ожидаемое. Стоит учесть, что godbolt опустит единицу в инструкции shr, и это не скомпилируется в NASM, но она там подразумевается. Измените 2 на 4, и вы увидите второй операнд в виде 2.

Теперь посмотрим на предыдущий код. В нем мы видим sar eax, это то же самое, что и shr, только для знаковых чисел. Остальной же код просто учитывает эту единицу, когда мы делим отрицательное число (или на отрицательное число, хотя код немного изменится). Если вы знаете, как представляются отрицательные числа в компьютере, вам будет не трудно догадаться, почему мы делаем сдвиг вправо на 31 разряд и добавляем это значение к исходному числу.

С делением на большие числа, все еще проще. Там деление заменяется на умножение, в качестве второго операнда вычисляется константа. Если вам будет интересно как, можете поломать над этим голову самостоятельно, там нет ничего сложного. Нужно просто понимать, как представляются вещественные числа в памяти.

Заключение


Для первой статьи материала уже больше, чем достаточно. Пора закруглятся и подводить итоги. Мы ознакомились с базовым синтаксисом ассемблера, выяснили, что компилятор может брать на себя простейшие оптимизации при вычислениях. Увидели разницу между регистровыми и стековыми переменными. И некоторые другие вещи. Это была вводная статья, пришлось много времени уделять очевидным вещам, но они очевидны не для всех, в будущем мы постигнем больше тонкостей языка Си.

Часть 2

habr.com

Notice: Trying to access array offset on value of type null in /var/www/www-root/data/www/schtirlitz.ru/wp-content/plugins/wpdiscuz/class.WpdiscuzCore.php on line 942 Notice: Trying to access array offset on value of type null in /var/www/www-root/data/www/schtirlitz.ru/wp-content/plugins/wpdiscuz/class.WpdiscuzCore.php on line 975

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Notice: ob_end_flush(): failed to delete and flush buffer. No buffer to delete or flush in /var/www/www-root/data/www/schtirlitz.ru/adv.php on line 308