Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Архитектура вычислительных систем и Ассемблер с приложением методических указаний к лабораторным работам. Учебное пособие
.pdf
5.1. Особенности GNU Assembler 181
Полная форма косвенной адресации
Полная форма косвенной адресации (вычисления адреса с разыменованием)
в GAS, соответствующая (5.1), имеет вид:
1 displacement(%base, %index, σ)
Любой из компонентов может отсутствовать, в этом случае опускается и соответствующий разделитель (только в одном случае — когда отсутствует база, но есть
индекс — разделяющая их запятая сохраняется, чтобы отличать эту ситуацию от
базы без индекса).
Таким образом, прямая адресация в принципе может рассматриваться как част-
ный случай косвенной, когда оба регистра и масштабный коэффициент опущены
вместе со скобками, и адрес равен смещению Displacement.
Например, следующая команда использует все четыре параметра и загружает
вAзначение
∗bp + D · 4 − 4(команда
mov src, dest
загружает в приёмник
dest значение источника src, l — суффикс размера).
1 movl -4(%ebp, %edx, 4), %eax //A=*(bp+4*D-4)
Чаще используются сокращённые варианты адресации, когда указывается только
часть параметров [6, 8].
Базовая косвенная адресация со смещением
Если используется только параметр
Base
, получим эквивалент разыменования
указателя в C++. В частности, следующая команда записывает четырёхбайтовое
значение по адресу C в регистр D.
1 movl (%ecx), %edx //D=*C
С параметрами
соответствует обращению к полю структуры (
та
Displacement
BaseиDisplacement
получим
Base
∗Base+ Displacement, что
— адрес структуры, констан-
— относительное смещение нужного поля), к параметру функ-
ции или к локальной переменной. Следующая команда загружает значение из
адреса bp − 4) в регистр A.
1 movl -4(%ebp), %eax //A=*(bp-4)
При передаче параметров функции через стек обратиться к ним внутри функции
можно только используя адресацию относительно указателя стекаsp. На вершине
стека, то есть по адресу
∗sp =(%esp)
, находится адрес возврата. Под ним (но по
б´ольшему адресу, так как стек растёт вниз) помещаются параметры.
182 Глава 5. Синтаксис и команды GNU Assembler x86
Базово-индексная косвенная адресация
При использовании всех параметров, кроме
σ · Index
, что соответствует обращению к элементу массива. Действительно,
Displacement
, получим
∗Base +
адрес элемента одномерного массива складывается из адреса начала массива, индекса элемента и размера элемента, то есть запись
sizeof (M [0])
. Если размер элемента равен
1, 2, 4
M[i]
эквивалентна
∗M + i ·
или8, он может быть масштаб-
ным коэффициентом (σ) и к элементу можно обратиться, используя три из четырёх
параметров адреса: ∗Base + Index· σ.
В частности, адресi-го элемента массиваMиз чисел типа
int
равен
M + i · 4
Если адрес начала массиваMнаходится в регистреC, а индекс — вsi, то элемент
M[i]
, или
∗(M + i · 4)
, будет записан как
(%ecx, %esi, 4)
. Соответственно,
запись M [i] типа int в регистр A будет выглядеть следующим образом:
1 movl (%ecx, %esi, 4), %eax // A = *(C + 4*si) = C[si]
Если размер элемента равен одному байту (тип
char
), адрес можно записать
ещё компактнее:
1 movl (%ecx, %esi), %eax // A = *(C + si) = C[si]
На платформах, отличных от x86 и x86-64, могут использоваться другие мето-
ды адресации и, соответственно, немного другие обозначения для них.
5.1.5. Размер операндов команды
Еду я на своём камазике...
А из-за поворота навстречу мне жигулище!
Фольклор
.
Большая часть мнемоник соответствует не одной команде уровня архитектуры
команд, а целому семейству однотипных команд, которые выполняют одни и те
же действия над операндами различного расположения или различных размеров и,
соответственно, имеют разные коды.
Размер операндов маркируется суффиксом, добавляемым к базовой форме
мнемоники; например, копирование (базовая форма команды —
(размер операндов
long
) записывается как
movl %edx, %eax
mov
)из
edxвeax
. Суффиксы перечис-
лены в таблице 5.1.
Необходимо отметить, что для целочисленных команд и команд обработки
вещественных чисел одни и те же суффиксы означают различную разрядность.
Некоторые суффиксы допустимы только для одного семейства команд. Для це-
sиw
лочисленных команд суффиксы
равноправны (для команды
mov
используется толькоw, так как существует другая
обозначают 16-битное целое и в целом
команда с базовой формой movs).
5.1. Особенности GNU Assembler 183
Суффиксы размера операндов
Таблица 5.1
Суффикс
Целый
операнд (бит)
Вещественный
операнд (бит)
b byte (8)
s short (16) single (32)
w word (16)
l long (32) double (64)
q quad (64)
t ten bytes (80)
У команд с операндами разных размеров указывается два суффикса. Порядок
суффиксов, как и порядок операндов — слева направо (от источника к приёмнику). Так, копирование целого числа со знаковым расширением (базовая форма
команды —
ные суффиксыbl(от
и так далее. Суффикс
movs
)изalв
byteкlong),bw
s
edx
выглядит как
movsbl %al, %edx
(от
byteкword)иwl
. Возможны двой-
(от
wordкlong
не используется как компонент составного суффикса
(таблица 5.2).
Двойные суффиксы размера для копирования целых чисел
с расширением
Таблица 5.2
Суффикс Источник (бит) Приёмник (бит)
)
bw byte (8) → word/short (16)
bl byte (8) → long (32)
bq byte (8) → quad (64)
wl word/short (16) → long (32)
wq word/short (16) → quad (64)
lq long (32) → quad (64)
Если суффикс не указан, GAS определяет размер по регистровому операнду.
Такое поведение несовместимо с оригинальным ассемблером AT&T Unix, который предполагает, что отсутствие суффикса означает размер операнда
long
. Эта
несовместимость не влияет на компиляцию с ЯВУ, так как компиляторы всегда
выставляют суффиксы размера [8].
184 Глава 5. Синтаксис и команды GNU Assembler x86
Если размер не удалось определить по операндам (то есть используются ли-
бо непосредственные операнды, либо расположенные в памяти), по умолчанию
long
для основного набора команд принимается размер
(32 бита). Такая ситуация не всегда вызывает ошибку компиляции, но в некоторых случаях приводит
к странному результату.
При отсутствии суффикса размера у команды FPU для целых операндов, находящихся в памяти, используется размер
одинарная точность (
float
, 32 бита), так что при работе с FPU надо быть особенно
short
(16 бит), а для вещественных —
внимательным к суффиксам.
5.1.6. Мнемоники
Научный вестник,
пожалуйста, не пугайтесь!
Полный перечень
так называемых ругательств!
В. В. Маяковский. Клоп
Первоначальные мнемонические обозначений команд процессора предлагаются
его разработчиками в документации, описывающей набор команд. В дальнейшем
ассемблеры в основном используют именно их. Большая часть мнемоник GAS (их
базовые формы) также совпадает с документацией Intel.
Тем не менее, часть обозначений различается. В частности, отличаются базовые
формы команд копирования со знаковым расширением (
в Intel) и копирования с беззнаковым расширением (
movz
movs
в GAS,
в GAS,
movzx
movsx
в Intel);
подробнее они описаны в разделе 5.2.4. Впрочем, для данных команд некоторые
шестидесятичетырёхбитные версии GAS используют обозначения Intel; для этих
версий мнемоники movs и movz некорректны.
Синтаксис AT&T предлагает для команд знакового расширения (их неявным
аргументом всегда является регистрA; подробнее в разделе 5.2.4) обозначения,
построенные по схеме
D
— суффикс размера или обозначение расположения (в случае расширения в пару
cStD
(convertStoD), гдеS— суффикс размера источника,
регистров) приёмника. В документации Intel приведены другие обозначения: они
построены по схеме
cSD
или
cSDe
и используют другие обозначения размера.
При программировании в GAS с использованием синтаксиса AT&T можно без
ограничений использовать для команд расширения регистраAкак вариант AT&T,
так и вариант Intel.
Опкоды дальнего перехода (с указанием сегмента и абсолютного адреса)
в AT&T соответствуют мнемоникам
(long jump), в то время как Intel обозначает их как
lcall/lret
(long call/long return) и
call far/retfиjump far
ljmp
Для этих команд GAS также поддерживает оба варианта.
.
5.2. Основные команды 185
Для несимметричных арифметических команд обработки чисел с плавающей
точкой (
fsub/fsubrиfdiv/fdivr
) GAS использует те же мнемоники, что и Intel,
но при этом реализует качественно иное поведение (раздел 5.3.5).
В шестидесятичетырёхбитном режиме команда загрузки шестидесятичетырёхбитного непосредственного значения в регистр обозначается
movabs
в синтаксисе
AT&T (загрузка абсолютного адреса). Синтаксис Intel не выделяет единственную
команду с шестидесятичетырёхбитным непосредственным операндом из семейства
команд пересылки и обозначает её как mov.
5.1.7. Префиксы
Не будь цветов, все ходили бы в одноцветных одеяниях!
К. П. Прутков.
Мысли и афоризмы, не включённые в «Плоды раздумья»
Как уже было сказано, регистры и непосредственные операнды обозначаются
специальными префиксами. Для ассемблера x86 имена регистров начинаются с
(
%eax,%dl
), а непосредственные значения (константы) отмечаются префиксом$,
например, addl $5, %eax (добавить константу 5 к регистру A).
Дополнительно возможны префиксы0xдля шестнадцатеричных констант,
для восьмеричных и0bдля двоичных. Десятичные константы записываются без
ведущих нулей, шестнадцатеричные и двоичные могут иметь ведущие нули после
префикса.
Префикс непосредственного операнда$указывается перед префиксом системы
счисления ($0xFF, $0577, $0b101).
На платформах, отличных от x86 и x86-64, могут использоваться другие префиксы для указания метода адресации операнда.
%
0
5.2. Основные команды
ЭТО не работает на восьмиразрядных машинах.
Программистский фольклор
Основной набор команд x86 включает команды обработки целых чисел и разнообразные команды управления вычислениями. Полный список команд приведён
в первом томе руководства разработчика программного обеспечения для архитектур Intel 64 (так архитектура x86-64 называется в документации Intel) и IA-32 [16],
17
а подробное описание — во втором [
томе руководства разработчика AMD [3].
Структура команды такова, что если у команды два операнда, они не могут
оба находиться в памяти. Таким образом, если указано, что операнды могут быть
]. Также набор инструкций описан в третьем
186 Глава 5. Синтаксис и команды GNU Assembler x86
переменными в памяти или регистрами, то возможны комбинации регистр-память,
память-регистр и регистр-регистр.
Если не указано иное, используются следующие обозначения. Операнд, принимающий значение (приёмник) может быть обозначен либо как
быть регистром или переменной в памяти, либо как
dreg
или
dest
, если он может
dmem
, если он может быть соответственно только регистром или только в памяти. Неизменяемый
операнд (источник) может быть обозначен как
или непосредственное значение),
(регистр),
smem
(переменная в памяти). Непосредственно адресуемая константа
srm
(регистр или переменная в памяти),
src
(регистр, переменная в памяти
sreg
обозначается как imm.
Для большинства команд источник и приёмник должны быть одного размера.
Это может быть байт, два байта и четыре байта (для шестидесятичетырёхбитных
систем — до восьми байт).
Наиболее часто используемые команды доступны как в тридцатидвухбитном,
так и в шестидесятичетырёхбитном режимах (
в шестидесятичетырёхбитном (в частности,
mov,lea
movabs
и т. д.); некоторые — только
). Некоторые команды тридца-
тидвухбитного режима недоступны в шестидесятичетырёхбитном, но для аналогичных операций введены новые (syscall вместо sysenter).
Есть и такие команды, которые доступны в тридцатидвухбитном режиме, но
полностью исключены из шестидесятичетырёхбитного. В частности, это команды
bound
условный вызов прерывания into и другие [77].
В данном пособии описывается только малая часть доступных команд x86.
В частности, во избежание путаницы в описание не вошли команды, полностью
исключённые из шестидесятичетырёхбитного режима.
,
5.2.1. Общие команды
Повесть строится из слов как строительной единицы здания.
В. Хлебников. Зангези
В таблице 5.3 приведены некоторые наиболее употребительные команды x86совместимых процессоров.
Команда
команде
nop
ничего не делает и не изменяет флагов. Её опкод соответствует
xchg %al, %al
. Используется в основном для реализации малых задержек, а также компиляторами и программистами уровня архитектуры команд для
выравнивания кода.
Команда
xchg
, в свою очередь, меняет местами значения источника и приёмни-
ка. Соответственно, источник не может быть непосредственным значением.
5.2. Основные команды 187
Основные общие команды
Таблица 5.3
Команда Действие
nop
nop srm
mov src, dest Присваивание dest = src (move)
movabs imm64, dreg64
lea smem, dreg Вычисление адреса smem и запись его в dreg
xchg srm, dest Обмен значений srm и dest
push src Помещение src в стек (уменьшает указатель стека)
pop dest Выталкивание значение из стека в dest (увеличивает
Ничего не делает (no operation)
В 64-битном режиме присваивание абсолютного 64-битного
адреса dreg64 = imm64
dreg =&smem (load effective address)
Работа со стеком
указатель стека)
Присваивание и вычисление адреса
Наверное, самой популярной командой является команда пересылки
src, dest
— аналог оператора присваивания
dest = src
языков высокого уровня.
mov
Рассмотрим некоторые примеры её работы:
movl $4, %eax // eax = 4
movb $42, %al // al = 42
movl %eax, (%esi) // *esi = eax
movl %eax, 4(%esi) // *(esi+4 байта) = eax
movl $some_var, %eax // eax = &some_var
movl $some_var+4, %eax // eax = &some_var+4 байта
movl some_var, %eax // eax = some_var
movl %eax, foo // foo = eax
Аналогом оператора получения адреса (оператор&в C++) является команда
lea
. Если
mov smem, dreg
загружает в регистр
dreg
значение по адресу
smem
то lea smem, dreg загружает в dreg сам адрес smem.
Например, следующая команда загружает вAзначение
∗bp +4D −4, исполь-
зуя косвенную адресацию — вычисление адреса из четырёх компонент с разыменованием:
movl -4(%ebp, %edx, 4), %eax //A=*(bp+4*D-4)
,
188 Глава 5. Синтаксис и команды GNU Assembler x86
Команда
lea
загружает в приёмник адрес источника, что компенсирует разымено-
вание, то есть команда
leal -4(%ebp, %edx, 4), %eax //A=bp+4*D-4
загружает в A значение bp +4D − 4.
Адрес статической переменной в тридцатидвухбитном режиме (то есть при
использованими прямой абсолютной адресации) может быть загружен в регистр
двумя способами — копированием адреса как тридцатидвухбитной константы или
с помощью вычисления адреса:
movl $msg, %esi // si = &msg
leal msg, %esi // si = &msg
Непосредственным операндом первой команды и смещением без базы во второй
будет абсолютный тридцатидвухбитный адрес метки msg.
В шестидесятичетырёхбитном режиме предпочтительной является прямая
относительная (
rip
-relative) адресация. В этом случае загрузка должна осуществ-
ляться командой lea:
lea msg(%rip), %rsi // si = ip + (&msg - ip) = &msg
Смещением в соответствующей команде будет не абсолютный шестидесятичетырёхбитный адрес метки
msg
, а вычисленная ассемблером тридцатидвухбитная
знаковая разность адреса msg и адреса следующей команды ip.
Использование в данной команде вместо
rip
любого другого регистра приведёт
к тому, что в поле смещения будет записана не разность шестидесятичетырёхбитного адреса метки
msg
и значения базового регистра, а собственно адрес
msg[63
причём усечённый до 32 бит:
],
lea msg(%rsp), %rsi // si = sp + &msg
Таким образом, прямая относительная адресация не является частным случаем
косвенной, хотя для их описания используется одна синтаксическая конструкция;
эти виды адресации необходимо различать.
Если по какой-то причине требуется загрузить именно абсолютный шестидеся-
тичетырёхбитный адрес как константу, это можно сделать командой movabs:
movabs $msg, %rsi // si = &msg
Команда
mov
в шестидесятичетырёхбитном режиме может содержать не более чем
тридцатидвухбитный непосредственный операнд.
Хотя операндом команды
lea
является указатель на адрес в памяти, этот адрес
не обязан быть корректным и вообще существовать (ошибка доступа выдаётся при
попытке чтения или записи по некорректному адресу, а не при вычислении его
lea
значения); соответственно,
часто используется как команда целочисленной
5.2. Основные команды 189
арифметики для вычисления линейной комбинации
r1+2s·r2+δ
, так как позволяет
выполнить умножение на константу и сложение за один шаг:
leal 8(,%eax,4), %eax //A=A*4+8
leal (%eax,%eax,2), %eax //A=A*2+A=A*3
В отличие от «настоящих» арифметических команд, lea не изменяет флагов.
Работа со стеком
Для работы со стеком предназначены в основном команды
pushиpop
. Они
работают только с операндами размером 4 или 2 байта, то есть указатель вершины стека всегда выравнен на 2 байта (его начальное значение делается двоичнокруглым). В GNU/Linux стек по соглашению выравнен по long (на 4 байта).
Команда
push src
помещает источник в стек. При этом указатель стека
sp
уменьшается на размер источника.
Таким образом, если попытаться смоделировать работу команды
помощи команды пересылки, то, в частности
pushl $13
(здесь суффикс
push
l = long
при
необходим, так как разрядность операнда невозможно определить без явного
sp
указания) эквивалентна последовательному уменьшению
и записи значения
в память:
sub $4, %esp // esp -= sizeof(long)
movl $13, (%esp) // *esp = 13
Комбинация команд измененияspи пересылки неэффективна, так как она и выполняется медленнее, чем
push
, и занимает больше места в памяти. Тем не менее,
иногда необходимо зарезервировать в стеке место для локальных переменных, начальное значение которых пока неизвестно. В этом случае можно воспользоваться
командой sub $size, %esp.
Команда
pop dest
— извлечение значения из стека и помещение его в приём-
ник dest — увеличивает указатель стека sp на размер приёмника.
Таким образом, popl %eax можно также выполнить с помощью команд:
1 movl (%esp), %eax // eax = *esp
2 add $4, %esp // esp += sizeof(int)
Комбинация команд измененияspи пересылки здесь так же менее эффективна,
чем
pop
. При этом отдельная команда
add $size, %esp
для удаления элемента
или набора элементов из стека «в никуда» используется очень часто. Она быстрее,
чем однократный вызов
pop
, так как не обращается к памяти; короче множествен-
ного вызова pop, а также не требует указания приёмника.
190 Глава 5. Синтаксис и команды GNU Assembler x86
5.2.2. Передача управления, вызов и возврат
Он один остался в живых. Он вошёл сквозь контуры двери.
Он поднялся на башню. Он вышел в окно.
И он сделал три шага — и упал не на землю, а в небо.
Она взяла его на руки, потому что они были одно.
Б. Б. Гребенщиков. На её стороне
Команды передачи управления (таблица 5.4) делятся на две основные группы.
Некоторые из них просто замещают указатель команд новым адресом, то есть
передают управление новому фрагменту кода аналогично оператору
goto
языка
C++. Другие перед передачей управления запоминают адрес следующей по счёту
команды, так что затем можно вернуться к выполнению последовательности команд. Такие команды соответствуют вызовам разного рода подпрограмм (в том
числе функций, прерываний, системных вызовов); каждой из них соответствует
своя команда возврата, которая должна находиться в конце соответствующей
подпрограммы.
Простая передача управления
К командам «безвозвратной» передачи управления относятся команда без-
условного перехода
jmp src
и семейство команд условного перехода
jCC src
Команды условного перехода отличаются только тем, что передача управления
CC
осуществляется только при наличии некоторой комбинации флагов
в реги-
стре flags.
Операнд команд передачи управления src может быть непосредственным зна-
чением (обычно меткой
label
), регистром или памятью. В первом случае неявно
используется прямая относительная адресация, так что в соответствующий ма-
label
шинный код включается не абсолютный адрес
текущего указателя команд
label − ip
. Это позволяет получить переносимый код.
, а смещение относительно
Если операнд команды перехода находится в регистре или памяти, то это —
абсолютный адрес перехода. Использование такой адресации позволяет выбирать
адрес перехода во время выполнения программы.
.
Вызов и возврат
Команды вызова используются для передачи управления подпрограмме —
последовательности команд, завершающихся командой возврата. Команды вызова
и возврата всегда бывают парными.
Любая команда вызова сохраняет в определённом месте адрес той команды, которая следует за ней (адрес возврата), некоторые из них также сохраняют и другие
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]