Новая папка_2 / Ассемблер на примерах. Базовый курс

Ассемблер на примерах. Базовый курс

В результате получим файл msgbox.obj, который нужно передать компонов­ щику alink:

С:\WIN32>ALINK -оРЕ msgbox

Параметры -о определяет тип исполняемого файла. Родным для Windows является тип РЕ. После компоновки появится файл msgbox.exe, который можно будет запустить.

11.3. Программная совместимость

Для процессора, работающего в защищенном режиме, доступен другой специ­ альный режим — VM86, обеспечивающий эмуляцию реального режима. Все привилегированные команды (то есть сИ, popf и др.), а также все обращения к периферийным устройствам (команды in и out) перехватываются и эмулиру­ ются ядром операционной системы так, что прикладной программе «кажется», что она действительно управляет компьютером. На самом же деле все вызовы функций DOS и BIOS обрабатываются ядром операционной системы.

11.4. Запуск DOS-приложений под Windows

Для запуска DOS~пpилoжeния в среде Windows мы используем так называ­ емый «Сеанс MS DOS». Для запуска DOS-режима выполните команду cmd (Пуск -^ Выполнить -> cmd). Открывшееся окно работает в режиме VM86 и полностью эмулирует функции DOS. Если файлы компилятора NASM на­ ходятся в каталоге C:\NASM, мы можем использовать команду DOS, чтобы перейти в этот каталог:

cd С:\NASM

Помните, что в DOS существует ограничение на длину файлов — все имена файлов должны быть в формате 8+3 (8 символов — имя, 3 — расширение). Для редактирования исходных файлов используйте редактор, который по­ казывает номера строк — так будет прош;е найти ошибку. Избегайте также «слишком дружественных» приложений, которые добавляют расширение «.txt» после расширения «.asm».

11.5. Свободные источники информации

Мы рекомендуем следующие источники, посвященные программированию на языке ассемблера в Windows:

http://win32asm.cjb.net http://rsl .szif.hu/~tomcat/win32

http://asm.shadrinsk.net/toolbar.html

190

12.1. Введение

Linux — современная многозадачная операционная система. Большая часть ядра Linux написана на С, но небольшая его часть (аппаратно-зависимая) на­ писана на языке ассемблера. Благодаря портируемости языка С Linux быстро распространилась за пределы х86-процессоров. Ведь для переноса ядра на другую аппаратную платформу разработчикам пришлось переписать только ту самую маленькую часть, которая написана на ассемблере.

Как любая другая современная многозадачная система, Linux строго разде­ ляет индивидуальные процессы. Это означает, что ни один процесс не может изменить ни другой процесс, ни тем более ядро, вследствие чего сбой одного приложения не отразится ни на других приложениях, ни на операционной системе.

В х86-совместимых компьютерах процессы в памяти защищены так называ­ емым защищенным режимом процессора. Этот режим позволяет контроли­ ровать действия программы: доступ программы к памяти и периферийным устройствам ограничен правами доступа. Механизмы защиты разделены между ядром операционной системы (которому разрешается делать абсолютно все)

ипроцессами (им можно выполнять только непривилегированные команды

изаписывать данные только в свою область памяти).

Защищенный режим также поддерживает виртуальную память. Ядро опе­ рационной системы предоставляет все операции для работы с виртуальной памятью. Кроме, конечно, трансляции логических адресов в физические — эта функция выполняется «железом» (см. главу 8).

Благодаря виртуальной памяти (и, конечно же, 32-битным регистрам), любой процесс в Linux может адресовать 4 Гб адресного пространства. Именно 4 Гб и выделены каждому процессу. Что имеется в виду? Если сделать дамп памяти от О до самого конца (4 Гб), вы не обнаружите ни кода другого процесса, ни данных другого процесса, ни кода ядра — 4 Гб полностью предоставлены в ваше распоряжение. Ясно, что реальный объем виртуальной памяти будет зависеть от физической памяти и от объема раздела подкачки, но суть в том, что процессы скрыты друг от друга и друг другу не мешают.

192

Глава 12. Программирование в Linux

12.2. Структура памяти процесса

Мы уже знаем, что нам доступны все 4 Гб и ни один процесс не может втор­ гнуться в наше адресное пространство. Как же распределена память нашего процесса? Как было сказано в предыдущих главах, программа состоит из че­ тырех секций: секция кода, секция статических данных, секция динамических данных (куча) и стек. Порядок, в котором загружаются эти секции в память, определяется форматом исполняемого файла. Linux поддерживает несколь­ ко форматов, но самым популярным является формат ELF (Executable and Linkable Format). Рассмотрим структуру адресного пространства ELF-файла. Предположим для простоты, что программа не использует динамических библиотек.

Адрес:

Обычно программа загружается с адреса 0x08048000 (примерно 128 Мб). При загрузке программы загружается только одна ее страница. Остальные страни­ цы загружаются по мере необходимости (неиспользуемые части программы никогда физически не хранятся в памяти).

На диске программа хранится без секций .bss и .stack — эти секции появля­ ются только тогда, когда программа загружается в память.

Если программа подключает какие-нибудь динамические библиотеки, их модули загружаются в ее адресное пространство, но начинаются с другого адреса (обычно с 1 Гб и выше). Секции этих модулей аналогичны секциям обычной программы (то есть .text, .data, .bss).

А что хранится в трехгигабайтном «зазоре» между .bss и .stack, то есть в сво­ бодной памяти? Эта память принадлежит процессу, но она не распределена по страницам. Запись в эту область вызовет сбой страницы (page fault) — после этого ядро уничтожит вашу программу.

Для создания динамических переменных вам нужно попросить ядро распре­ делить соответствующую память, но об это мы поговорим чуть позже.

193

Ассемблер на примерах. Базовый курс

12.3. Передача параметров командной строки и переменных окружения

Если процессы полностью изолированы друг от друга, то как нам получить параметры командной строки и переменные окружения? Ведь они — собствен­ ность другого процесса — оболочки, запустившей нашу программу. Решили эту проблему очень просто: при запуске программы параметры командной строки и переменные окружения помещаются в стек программы. А поскольку стек нашей программы — это наша собственность, мы можем без проблем получить к нему доступ. Рассмотрим структуру стека:

Нужный аргумент легко вытолкнуть из стека по команде POP, а потом запи­ сать в какую-нибудь переменную. Первое значение, которое мы получим из стека — это количество аргументов командной строки (argc), второй — ука­ затель на имя нашей программы.

Если argc > 1, значит, программа была запуш^ена с аргументами и дальше в стеке находятся они.

Примеры обработки аргументов командной строки будут рассмотрены после того, как вы научитесь выводить данные на экран.

12.4. Вызов операционной системы

Вызвать функции операционной системы DOS можно было с помощью пре­ рывания 0x21. В Linux используется похожий метод: прерывание с номером 0x80. Но как мы можем с помощью прерывания добраться до ядра, если оно находится за пределами нашего адресного пространства? Благодаря защищен­ ному режиму, при вызове прерывания 0x80 изменяется контекст программы (значение сегментного регистра) и процессор начинает выполнять код ядра. После завершения обработки прерывания будет продолжено выполнение нашей программы.

194

Глава 12. Программирование в Linux

Подобно DOS, аргументы отдельных системных вызовов (syscalls) передаются через регистры процессора, что обеспечивает небольшой выигрыш в скорости. Номер системного вызова помеш;ается в регистр ЕАХ. Если системный вызов принимает аргументы, то он ожидает их в регистрах ЕВХ, ЕСХ и т.д. По со­ глашению для передачи аргументов служит набор регистров в фиксированном порядке: ЕВХ, ЕСХ, EDX, ESI и EDI. Ядро версии 2.4.x и выше допускает также передачу аргумента через регистр ЕВР.

12.5. К о д ы о ш и б о к

Возвращаемое системным вызовом значение заносится в ЕАХ. Это код ошибки, определяющий состояние завершения системного вызова, то есть уточняющий причину ошибки. Код ошибки всегда отрицательный. В про­ грамме на языке ассемблера, как правило, достаточно отличать успешное завершение от ошибочного, но в ходе отладки значение кода ошибки может помочь выяснить ее причину.

Справочная система Linux содержит man-страницы, описывающие каждый системный вызов вместе с кодами, значениями и причинами всех ошибок, которые он может вернуть.

12.6.Мап-страницы

вотличие от DOS и Windows ОС Linux полностью документирована. В ее спра­ вочной системе (которая называется Manual Pages — Страницы Руководства) вы найдете исчерпывающие сведения не только обо всех установленных про­ граммах, но и обо всех системных вызовах Linux. Конечно, для эффективного использования man-страниц (как и остальной Linux-документации) вам придetcя выучить английский, поскольку далеко не все man-страницы переведены на русский язык. Достаточно уметь читать руководства хотя бы со словарем.

Предположим, что мы хотим написать простейшую программку, которая завершает свою работу сразу после запуска. В DOS нам нужно было ис­ пользовать системный вызов АН=0х4С. Помните? Теперь давайте напишем подобную программку под Linux. Для этого найдите файл unistd.h, который обычно находится в каталоге /usr/src/linux/include/asm:

195

Ассемблер на примерах. Базовый курс

В этом файле вы найдете номера системных вызовов Linux. Нас интересует вызов NR_exit:

Это значит, что функция ядра, завершающая процесс, имеет номер I. Описания функций ядра (системных вызовов) собраны в секции 2 справочного руководства. Посмотрим, что там сказано о функции exit(). Для этого введите команду:

man 2 exit

Вы увидите содержимое man-страницы:

NAME

_exit, _Exit — terminate the current process SYNOPSIS

#include <unistd.h> void _exit(int status); #include <stdlib.h> void _Exit(int status); DESCRIPTION

The function _exit terminates the calling process «immedi­ ately». Any open file descriptors belonging to the process are closed; any children of the process are inherited by process 1, init, and the process's parent is sent a SIGCHLD signal. The value status is returned to the

parent process as the process's exit status, and can be col­ lected using one of the wait family of calls. The function

_Exit is equivalent to _exit. RETURN VALUE

These functions do not return.

196

Глава 12. Программирование в Linux

Системному вызову 'exit' нужно передать всего один параметр (как в DOS) — код возврата (ошибки) программы. Код О соответствует нормальному завер­ шению программы.

Код нашего «терминатора» будет выглядеть так:

12-7. Программа «Hello, World!» под Linux

Давайте немного усложним нашу программу — пусть она выведет заветную фразу

изавершит работу. Вспомните, что в главе 8 говорилось о файловых дескрипторах стандартных потоков — ввода (STDIN, обычно клавиатура), вывода (STDOUT, обычно экран) и ошибок (STDERR, обычно экран). Наша программа «Hello, World!» должна вывести текст на устройство стандартного вывода STDOUT

изавершиться. С точки зрения операционной системы STDOUT — это файл, следовательно, мы должны записать нашу строку в файл.

Снова заглянув в unistd.h, находим системный вызов write(). Смотрим его описание:

Если вы не знаете С, то данная шап-страница, скорее всего, для вас будет не­ понятна. Как передать аргументы системному вызову? В языке ассемблера вы можете загрузить в регистр либо непосредственное значение, либо значение какого-то адреса памяти. Для простоты будем считать, что для аргументов, не отмеченных звездочкой, нужно указывать непосредственные значения, а аргументы со звездочкой требуют указателя.

Функции write нужно передать три аргумента: дескриптор файла, указатель на строку, данные из которой будут записаны в файл (это buf), и количество байтов этой строки, которые нужно записать. Функция возвратит количество успешно записанных байтов или отрицательное число, которое будет кодом ошибки.

Для компилирования нашей программы в объектный файл будем использовать nasm, а для компоновки — компоновщик Id, который есть в любой версии

197

Ассемблер на примерах. Базовый курс

Linux. Для получения объектного файла в формате ELF нужно использовать опцию компилятора -f elf.

Компоновщик Id обычно вызывается с ключами, перечисленными в табл. 12. L

Чтобы компоновщик Id определил точку входа программы, мы должны ис­ пользовать глобальную метку _start.

Код нашей программы «Hello, World!» приведен в листинге 12.1.

Теперь откомпилируем программу:

nasm -f elf hello.asm

A теперь запустим компоновщик:

Id -s -о hello hello.о

Ключ -о определяет имя результирующего исполняемого файла. Ключ -s

удаляет символьную информацию из исполняемого файла, чтобы уменьшить его размер.

198

Глава 12. Программирование в Linux

Теперь осталось запустить программу:

./hello Hello, World!

12.8. Облегчим себе работу; утилиты Asmutils

Asmutils — это коллекция системных программ, написанных на языке ас­ семблера. Эти программы работают непосредственно с ядром операционной системы и не требуют библиотеки LIBC.

Asmutils — идеальное решение для небольших встроенных систем или для «спасательного» диска.

Программы написаны на ассемблере NASM и совместимы с х86-процессорами. Благодаря набору макросов, представляющих системные вызовы, Asmutils легко портируется на другие операционные системы (нужно модифицировать только конфигурационный файл). Поддерживаются следующие операционные системы: BSD (FreeBSD, OpenBSD, NetBSD), UnixWare, Solaris и AtheOS.

Для каждой операционной системы Asmutils определяет свой набор симво­ лических констант и макросов, побочным эффектом которых оказывается улучшение читабельности ассемблерных программ.

В листинге 12.2 можно увидеть, как будет выглядеть наша программа hello с использованием Asmutils.

hello db «Hello, World!»,Оха len equ $-hello

END

199