Эту идею мы вынашивали долго. Наверное, несколько лет мы штурмовали ее со всех сторон, и всякий раз нам что-нибудь мешало. С одной стороны, ассемблер - это круто настолько, насколько вообще может быть круто для нашего читателя-хакера (крякера, реверсера) умение общаться с компьютером на его языке. С другой стороны - актуальных руководств по асму, в том числе издания этого века, достаточно, а времена нынче либеральные, веб-хакеры и любители JS могут нас не понять и не одобрить. 🙂 Точку в споре физиков, лириков, старообрядцев, никониан, веб-хакеров и тру-крякеров поставил успех . Оказалось, что сейчас, в XXI веке, тру-крякеры все еще не сдали своих позиций и нашим читателям это интересно!

Но что такое программирование само по себе по своей сути, вне зависимости от какого-либо языка? Разнообразие ответов поражает. Наиболее часто можно услышать такое определение: программирование - это составление инструкций или команд для последовательного исполнения их машиной с целью решить ту или иную задачу. Такой ответ вполне справедлив, но, на мой взгляд, не отражает всей полноты, как если бы мы назвали литературу составлением из слов предложений для последовательного прочтения их читателем. Я склонен полагать, что программирование ближе к творчеству, к искусству. Как любой вид искусства - выражение творческой мысли, идеи, программирование представляет собой отражение человеческой мысли. Мысль же бывает и гениальная, и совершенно посредственная.

Но, каким бы видом программирования мы ни занимались, успех зависит от практических навыков вкупе со знанием фундаментальных основ и теории. Теория и практика, изучение и труд - вот краеугольные камни, на которых основывается успех.

В последнее время ассемблер незаслуженно находится в тени других языков. Обусловлено это глобальной коммерциализацией, направленной на то, чтобы в максимально короткие сроки получить как можно большую прибыль от продукта. Иными словами, массовость взяла верх над элитарностью. А ассемблер, по моему мнению, ближе к последнему. Гораздо выгоднее в сравнительно небольшие сроки поднатаскать ученика в таких, например, языках, как С++, С#, PHP, Java, JavaScript, Python, чтобы он был более-менее способен создавать ширпотребный софт, не задаваясь вопросами, зачем и почему он так делает, чем выпустить хорошего специалиста по ассемблеру. Примером тому служит обширнейший рынок всевозможных курсов по программированию на любом языке, за исключением ассемблера. Та же тенденция прослеживается как в преподавании в вузах, так и в учебной литературе. В обоих случаях вплоть до сегодняшнего дня большая часть материала базируется на ранних процессорах серии 8086, на так называемом «реальном» 16-битном режиме работы, операционной среде MS-DOS! Возможно, что одна из причин в том, что, с одной стороны, с появлением компьютеров IBM PC преподавателям пришлось перейти именно на эту платформу из-за недоступности других. А с другой стороны, по мере развития линейки 80х86 возможность запуска программ в режиме DOS сохранялась, что позволяло сэкономить деньги на приобретение новых учебных компьютеров и составление учебников для изучения архитектуры новых процессоров. Однако сейчас такой выбор платформы для изучения совершенно неприемлем. MS-DOS как среда выполнения программ безнадежно устарела уже к середине девяностых годов, а с переходом к 32-битным процессорам, начиная с процессора 80386, сама система команд стала намного более логичной. Так что бессмысленно тратить время на изучение и объяснение странностей архитектуры реального режима, которые заведомо никогда уже не появятся ни на одном процессоре.

Что касается выбора операционной среды для изучения ассемблера, то, если говорить о 32-битной системе команд, выбор сравнительно невелик. Это либо операционные системы Windows, либо представители семейства UNIX.

Также следует сказать несколько слов о том, какой именно ассемблер выбрать для той или другой операционной среды. Как известно, для работы с процессорами х86 используются два типа синтаксиса ассемблера - это синтаксис AT&T и синтаксис Intel. Эти синтаксисы представляют одни и те же команды совершенно по-разному. Например, команда в синтаксисе Intel выглядит так:

Mov eax,ebx

В синтаксисе же AT&T уже будет иной вид:

Movl %eax,%ebx

В среде ОС UNIX более популярен синтаксис типа AT&T, однако учебных пособий по нему нет, он описывается исключительно в справочной и технической литературе. Поэтому логично выбрать ассемблер на основе синтаксиса Intel. Для UNIX-систем есть два основных ассемблера - это NASM (Netwide Assembler) и FASM (Flat Assembler). Для линейки Windows популярностью пользуются FASM и MASM (Macro Assembler) от фирмы Microsoft, и также существовал еще TASM (Turbo Assembler) фирмы Borland, которая уже довольно давно отказалась от поддержки собственного детища.

В данном цикле статей изучение будем вести в среде Windows на основе языка ассемблера MASM (просто потому, что он мне нравится больше). Многие авторы на начальном этапе изучения ассемблера вписывают его в оболочку языка си, исходя из тех соображений, что перейти к практическим примерам в операционной среде якобы довольно трудно: нужно знать и основы программирования в ней, и команды процессора. Однако и такой подход требует хоть мало-мальских начатков знаний в языке си. Данный же цикл статей от самого своего начала будет сосредоточен только на самом ассемблере, не смущая читателя ничем иным, ему непонятным, хотя в дальнейшем и будет прослеживаться связь с другими языками.

Следует отметить, что при изучении основ программирования, и это касается не только программирования на ассемблере, крайне полезно иметь представление о культуре консольных приложений. И совершенно нежелательно начинать обучение сразу же с создания окошечек, кнопочек, то есть с оконных приложений. Бытует мнение, что консоль - архаичный пережиток прошлого. Однако это не так. Консольное приложение почти лишено всякой внешней зависимости от оконной оболочки и сосредоточено главным образом на выполнении конкретно поставленной задачи, что дает прекрасную возможность, не отвлекаясь ни на что другое, концентрировать внимание на изучении базовых основ как программирования, так и самого ассемблера, включая знакомство с алгоритмами и их разработку для решения практических задач. И к тому моменту, когда настанет время перейти к знакомству с оконными приложениями, за плечами уже будет внушительный запас знаний, ясное представление о работе процессора и, самое главное, осознание своих действий: как и что работает, зачем и почему.

Что такое ассемблер?

Само слово ассемблер (assembler) переводится с английского как «сборщик». На самом деле так называется программа-транслятор, принимающая на входе текст, содержащий условные обозначения машинных команд, удобные для человека, и переводящая эти обозначения в последовательность соответствующих кодов машинных команд, понятных процессору. В отличие от машинных команд, их условные обозначения, называемые также мнемониками , запомнить сравнительно легко, так как они представляют собой сокращения от английских слов. В дальнейшем мы будем для простоты именовать мнемоники ассемблерными командами. Язык условных обозначений и называется языком ассемблера .

На заре компьютерной эры первые ЭВМ занимали целые комнаты и весили не одну тонну, имея объем памяти с воробьиный мозг, а то и того меньше. Единственным способом программирования в те времена было вбивать программу в память компьютера непосредственно в цифровом виде, переключая тумблеры, проводки и кнопочки. Число таких переключений могло достигать нескольких сотен и росло по мере усложнения программ. Встал вопрос об экономии времени и денег. Поэтому следующим шагом в развитии стало появление в конце сороковых годов прошлого века первого транслятора-ассемблера, позволяющего удобно и просто писать машинные команды на человеческом языке и в результате автоматизировать весь процесс программирования, упростить, ускорить разработку программ и их отладку. Затем появились языки высокого уровня и компиляторы (более интеллектуальные генераторы кода с более понятного человеку языка) и интерпретаторы (исполнители написанной человеком программы на лету). Они совершенствовались, совершенствовались - и, наконец, дошло до того, что можно просто программировать мышкой.

Таким образом, ассемблер - это машинно ориентированный язык программирования, позволяющий работать с компьютером напрямую, один на один. Отсюда и его полная формулировка - язык программирования низкого уровня второго поколения (после машинного кода). Команды ассемблера один в один соответствуют командам процессора, но поскольку существуют различные модели процессоров со своим собственным набором команд, то, соответственно, существуют и разновидности, или диалекты, языка ассемблера. Поэтому использование термина «язык ассемблера» может вызвать ошибочное мнение о существовании единого языка низкого уровня или хотя бы стандарта на такие языки. Его не существует. Поэтому при именовании языка, на котором написана конкретная программа, необходимо уточнять, для какой архитектуры она предназначена и на каком диалекте языка написана. Поскольку ассемблер привязан к устройству процессора, а тип процессора жестко определяет набор доступных команд машинного языка, то программы на ассемблере не переносимы на иную компьютерную архитектуру.

Поскольку ассемблер всего лишь программа, написанная человеком, ничто не мешает другому программисту написать свой собственный ассемблер, что часто и происходит. На самом деле не так уж важно, язык какого именно ассемблера изучать. Главное - понять сам принцип работы на уровне команд процессора, и тогда не составит труда освоить не только другой ассемблер, но и любой другой процессор со своим набором команд.

Синтаксис

Общепринятого стандарта для синтаксиса языков ассемблера не существует. Однако большинство разработчиков языков ассемблера придерживаются общих традиционных подходов. Основные такие стандарты - Intel-синтаксис и AT&T-синтаксис .

Общий формат записи инструкций одинаков для обоих стандартов:

[метка:] опкод [операнды] [;комментарий]

Опкод - это и есть собственно ассемблерная команда, мнемоника инструкции процессору. К ней могут быть добавлены префиксы (например, повторения, изменения типа адресации). В качестве операндов могут выступать константы, названия регистров, адреса в оперативной памяти и так далее. Различия между стандартами Intel и AT&T касаются в основном порядка перечисления операндов и их синтаксиса при разных методах адресации.

Используемые команды обычно одинаковы для всех процессоров одной архитектуры или семейства архитектур (среди широко известных - команды процессоров и контроллеров Motorola, ARM, x86). Они описываются в спецификации процессоров.

После многих лет занятия чем не попадя, решил вернуться к истокам. К программированию. Опять же, ввиду множества «современных достижений» в этой области было трудно определиться, чего же на самом деле не хватет, за что взяться чтобы было и приятно и полезно. Попробовав много чего понемногу, все же решил вернуться туда, куда тянуло с первых дней знакомства с компьютером (еще с копией творения сэра Синклера) – к программированию на ассемблере. На самом деле, в свое время Ассемблер я знал достаточно неплохо (в данном случае говорю про x86), но почти 15 лет ничего на нем не писал. Таким образом это своеобразное возвращение «блудного сына».
Но тут поджидало первое разочарование. Найденные на просторах Интернета книги, руководства и прочие справочники по ассемблеру, к моему глубокому сожалению, содержат минимум информации о том, как надо программировать на ассемблере, почему именно так, и что это дает.

Пример из другой области

Если брать в качестве примера бокс, то все подобные руководства учат исполнять удар, перемещаться стоя на полу, но абсолютно отсуствует то, что делает бокс - боксом, а не «разрешенным мордобитием». То есть комбинационная работа, особенности использования ринга, защитные действия, тактическое построение боя и, тем более, стратегия боя не рассматриваются вообще. Научили человека бить по «груше» и сразу на ринг. Это в корне неверно. Но именно так построены практически все «учебники» и «руководства» по программированию на ассемблере.

Однако нормальные книги должны быть, скорее всего под горой «шлака» я их просто не нашел. Поэтому прежде чем восполнять знания глобальным описание архитектуры, мнемоники и всяческих фокусов «как слепить фигу из 2х пальцев», подойдем к вопросу программирования на ассемблере с «идеологической» точки зрения.

Идилия?

Маленькое замечание, далее по тексту будет использована классификация, отличающаяся от распространненной в настоящее время. Однако это не является поводом для «споров о цвете истины», просто в данном виде проще объяснить точку зрения автора на программирование.

Итак, на сегодняшний день, казалось бы, для программистов наступила эпоха счастья. Огромный выбор средств на все случаи жизни и пожелания. Тут тебе и миллионы «фреймворков»/«паттернов»/«шаблонов»/«библиотек» и тысячи средств «облегчающих» программирование, сотни языков и диалектов, десятки методологий и различные подходы у программированию. Бери – нехочу. Но не «берется». И дело не в религиозных убеждениях, а в том, что это все выглядит как попытка питаться чем-то невкусным. При желании и усердии можно приноровиться и к этому, конечно. Но, возвращаясь к программированию, в большинстве из предлагаемого не видно технической красоты – видно лишь множество «костылей». Как результат, при использовании этих «достижения», из-под «кисти художников» вместо завораживающих пейзажей выходит сплошная «абстракция», или лубки - если повезет. Неужели большинство программистов такие бездари, неучи и имеют проблемы на уровне генетики? Нет, не думаю. Так в чем же причина?
На сегодняшний день имеется множество идей и способов программирования. Рассмотрим наиболее «модные» из них.

Императивное программирование – в данном подходе программист задает последовательность действий, приводящих к решению задачи. В основе лежит разделение программы на части, выполняющие логически независимые операции (модули, функции, процедуры). Но в отличии от типизированного подхода (см. ниже) тут есть важная особенность – отсутствие «типизации» переменных. Иными словами отсутствует понятие «тип переменной», вместо него используется понимание, что значения у одной и той же переменной могут иметь различный тип. Яркими представителем данного подхода являются Basic, REXX, MUMPS.
Типизированное программирование – модификация императивного программирования, когда программист и система ограничивают возможные значения переменных. Из наиболее известных языков - это Pascal, C.
Функциональное программирование – это более математический способ решения задачи, когда решение состоит в «конструировании» иерархии функций (и соответственно создание отсутствующих из них), приводящей к решению задачи. Как примеры: Lisp, Forth.
Автоматное программирование – подход, где программист строит модель/сеть, состоящую из обменивающихся сообщениями объектов/исполнительных элементов, как изменяющих/хранящих свое внутреннее «состояние» так и могущих взаимодействовать с внешним миром. Иными словами это то, что обычно называют «объектное программирование» (не объектно-ориентированное). Этот способ программирования представлен в Smalltalk.

А как-же множество других языков? Как правило, это уже «мутанты». Например, смешение типизированного и автоматного подхода дало «объектно-ориентированное программирование».

Как видим, каждый из подходов (даже без учета ограничений конкретных реализаций) накладывает собственные ограничения на саму технику программирования. Но иначе и быть не может. К сожалению, эти ограничения зачастую созданы искуственно для «поддержания чистоты идеи». В итоге, программисту приходится «извращать» изначально найденное решение в вид, хоть как-то соответствующий идеологии используемого языка или используемому «шаблону». Это даже без учета новомодных методик и способов проектирования и разработки.

Казалось бы, программируя на ассемблере, мы вольны делать все и так, что и как пожелаем и позволяет нам «железо». Но как только нам захочется использовать «универсальный драйвер» для какого-либо типа оборудования, мы вынуждены менять свободу «творчества» на предписанные (стандартизированные) подходы и способы использования драйвера. Как только нам понадобилась возможность использовать наработки других коллег или дать им возможность делать тоже самое с плодами нашего труда - мы вынуждены менять свободу выбора взаимодействия между частями программы на некие обговоренные/стандартизированные способы.

Таким образом та «свобода», за которой часто рвутся в ассемблер зачастую оказывается «мифом». И этому (пониманию ограничений, и способам их организации), на мой взгляд, должно уделяться повышенное внимание. Программист должен понимать причину вносимых ограничений, и, что отличает ассемблер от многих языков высокого уровня, иметь возможность менять их, при возникновении такой необходимость. Однако сейчас программист на ассемблере вынужден мириться с ограничениями, вводимыми языками высокого уровня, не имея «пряников» доступных программирующими на них. С одной стороны, операционные системы предоставляют множество уже реализованных функций, есть готовые библиотеки и много многое другое. Но способы их использования, как специально, реализованы без учета вызова их из программ, написанных на ассемблере, а то и вообще наперекор логике программирования для x86 архитектуры. В результате, сейчас программирование на ассемблере с вызовом функций ОС или внешних библиотек языков высокого уровня – это «страх» и «ужас».

Чем дальше в лес, тем толще

Итак, мы осознали, что хотя ассемблер очень прост, но пользоваться им надо уметь. И основная слажность - это необходимость взаимодействия со средой исполнения, где запускается наша программа. Если программисты на языках высокого уровня уже имеют доступ к необходимым библиотекам, функциям, подпрограммам на многие случаи жизни и им доступны способы взаимодействия с внешним миром, в виде, согласованном с идеей языка, то программисту на ассемблере приходится продираться сквозь чащу всевозможных препонов, водруженных на пустом месте. Когда смотришь на то, что генерируют языки высокого уровня при компиляции, то складывает ощущение, что, те, кто писал компиляторы, либо понятия не имеют, как работает процессор с архитектурой x86, «или одно из двух» (ц).

Итак, давайте по-порядку. Программирование - это в первую очередь инженерия, то есть научное творчество, направленное на эффективное (по показателям надежности, использования доступных ресурсов, сроков реализации и удобства применения) решение практических задач. И, в основе любой инженерии лежит системный подход. То есть нельзя рассматривать любое решение как некий «неразборный» черный ящик, функционирующий в полном и идеальном вакууме.

Еще один пример из другой области

Как яркий пример системного подхода можно привести производство грузовиков в США. В данном случае, производитель грузовика – это просто изготовитель рамы и кабины + сборщик конструктора. Все остальное (двигатель, трансмиссия, подвеска, электрооборудование и т.д.) берется исходя из пожеланий заказчика. Захотел один заказчик получиться себе некий Kenworth с двигателем от Detroit Diesel, ручной коробкой Fuller, рессорной подвеской от какой-нибудь Dana – пожалуйста. Понадобилась другу этого заказчика та же модель Kenworth, но с «родным» двигателем Paccar, коробкой-автоматом Allison и пневмоподвеской от другого производителя – легко! И так делают все сборщики грузовиков в США. То есть грузовик – это система, в котором каждый модуль может быть заменен на другой, того же назначения и безпроблемно состыкован с уже имеющимися. Причем способ стыковки модулей сделан с максимально доступной универсальностью и удобством дальнейшего расширения функционала. Вот к чему должен стремиться инженер.

К сожалению, нам придется жить с тем, что есть, но в дальнейшем подобного следует избегать. Итак, программа – это, по сути, набор модулей (невожно как они называются, и как себя «ведут»), компонуя которые мы добиваемся решения стоящей задачи. Для эффективности крайне желательно, чтобы можно было эти модули использовать повторно. Причем не просто использовать любой ценой, а использовать удобным способом. И вот тут нас ждет очередной неприятный «сюрприз». Большинство языков высокого уровня оперируют такими структурными единицами как «фунция» и «процедура». И, как способ взяимодействия с ними, применяется «передача параметров». Это вполне логично, и тут никаких вопросов не возникает. Но как всегда, «важно не то, что делается – важно как делается» (ц). И вот тут начинается самое непонятное. На сегодня распространены 3 способа организации передачи параметров: cdecl , stdcall , fastcall . Так вот, ни один из этих способов не является «родным» для x86. Более того, все они ущербны с точки зрения расширения функционала вызываемых подпрограмм. То есть, увеличив количество передаваемых параметров, мы вынуждены менять все точки вызова этой функции/подпрограммы, или же плодить новую подпрограмму с похожим функционалом, которая будет вызываться немного иным способом.

Указанные выше методы передачи параметров относительно неплохо работают на процессорах с 2мя раздельными стеками (стеком данных, и стеком адресов/управления) и развитыми командами манипулирования стеком (хотя бы индексное обращение к элементам стека). Но при программировании на x86 приходится сначала извращаться при передаче/получении параметров, а потом не забыть «структурное» их удаление из стека. Попутно стараясь угадать/рассчитать максимальную глубину стека. Напомним, что x86 (16/32 битный режим), это процессор, у которого:

специализированные регистры (РОНы – регистры общего назначения – как таковые отсутствуют: то есть, мы не можем одной командой умножить содержимое регистра GS на значение из EDI и результат получить в паре EDX:ECX, или же разделить значение из пары регистров EDI:ESI на содержимое регистра EAX);
регистров мало;
один стек;
ячейка памяти не дает никакой информации от типа хранящегося там значения.

Иначе говоря, методы программирования, используемые для процессоров с большим регистровым файлом, с поддержкой нескольких независимых стеков и т.д. в большинстве своем не применимы при программировании на x86.

Следующая особенность взамиодействия с готовыми модулями, написанными на «языках высокого уровня»- это «борьба» с «типами переменных». С одной стороны, причина появления типов переменных ясна – программист знает какие значения используются внутри его подпрограммы / модуля. Исходя из этого, видится вполне логичным, что, задав тип значений переменной, мы можем «упростить» написание программы, возложив контроль типов/пределов значений на транслятор языка. Но и тут с водой выплеснули младенца. Потому как любая программа пишется не для генерации сферических коней в вакууме, а для практической работы с пользовательскими данными. То есть очевидное нарушение системного подхода – как будто разработчики языков высокого уровня рассматривали свои системы без учета взаимодействия с внешним миром. В итоге, программируя на типизированном языке разработчик должен предсматривать все возможные виды «неправильных» входных данных, и искать способы обхода неопределенностей. И вот тут на сцену выходят монструозные системы поддержки регулярных выражений, обработки исключительных ситуаций, сигнатуры методов/процедур для разных типов значений и прочая прочая генерация костылей.

Как было уже указано выше, для архитектуры x86 само значение, хранимое в ячейке памяти, не обладает никаким типом. Программист на ассемблере получает привилегию и ответственность за определение способа обработки этого самого значение. А уж каким образом определять тип значения и как его обрабатывать – тут на выбор множество вариантов. Но, подчеркнем еще раз, все они касаются только значений, получаемых от пользователя. Как верно заметили разработчики типизированных языков: типы значений внутренних и служебных переменных практически всегда известны заранее.

Эта причина (извращенная передача параметров в модули, написанные на языках высого уровня и необходимость строго следить за типами передаваемых параметров в теже самые модули) видится основной, из-за которой программирование на ассемблере неоправданно затруднено. И большинство предпочитает разбираться в дебрях «языков высокого уровня», чтобы воспользоваться тем, что уже наработано другими, чем мучиться, вставляю одни и те же «типовые» костыли, для исправления того, чего они не делали. И редкий транслятор ассемблера хоть как-то «разгружает» программиста от этой рутины.

Что делать?

Предварительные выводы с учетом 15ти летного перерыва в программировании на ассемблере.
Во-первых, по поводу модулей или частей программы. В общем случае стоит выделить два вида исполнительных модулей программы на языке ассемблера – «операция» и «подпрограмма».

«Операцией» будем называть модуль, выполняющий «атомарное» действие и не требующий для своего выполнения множества параметров (например, операция очистки всего экрана, или операция расчета медианы числового ряда и т.п.).
«Подпрограммой» же стоит назвать фунциональный модуль, требующий, для корректного функционирования, множество входных параметров (больше 2х-3х).

И тут стоит оценить опыт императивных и функциональных языков. Они нам подарили 2 ценных инструмента, которыми стоит воспользоваться: «структура данных» (или, на примере REXX – составные/дополняемые переменные) и «немутабельность данных».

Полезно также следовать правилу немутабельности – то есть неизменности передаваемых параметров. Подпрограмма не может (не должна) менять значения в передаваемой ей структуре и результат возврашает либо в регистрах (не более 2х-3х параметров), либо также в новой, создаваемой структуре. Таким образом мы избавлены от необходимости делать копии структур, на случай «забытого» изменения данных подпрограммами, и можем использовать уже созданную структуру целиком или основную ее часть для вызова нескольких подпрограмм, оперирующих одним/схожим набором параметров. Более того, практически «автоматом» приходим к очередному «функциональному» правилу – внутренней контексто-независимости подпрограмм и операций. Иными словами - к разделению состояния/данных от метода/подпрограммы их обработки (в отличие от автоматной модели). В случаях параллельного программирования, а также совместного использования одной подпрограммы мы избавляемся как от необходимости плодить множество контекстов исполнения и следить за их «непересечением», так и от создания множества экземляров одной подпрограмм с разными «состояниями», в случае нескольких ее вызовов.

Что касается «типов» данных, то тут можно как оставить «все как есть», а можно тоже не изобретать велосипеда и воспользоваться тем, что давно используют разработчики трансляторов императивных языков – «идентификатор типа значения». То есть все данные, поступающие из внешнего мира анализируются и каждому полученному значению присваивается идентификатор обрабатываемого типа (целое, с плавающей точкой, упакованное BCD, код символа и т.д.) и размер поля/значения. Имея эту информацию, программист, с одной стороны, не загоняет пользователя в излишне узкие рамки «правил» ввода значений, а с другой - имеет возможность в процессе работы выбрать наиболее эффективный способ обработки данных пользователя. Но, повторюсь еще раз, это касается только работы с пользовательскими данными.

Это были общие соображения о программировании на ассемблере, не касающиеся вопросов проектирования, отладки и обработки ошибок. Надеюсь что разработчикам ОС, которые пишут их с 0-ля (а тем более на ассемблере), будет о чем подумать и они выберут (пусть не описанные выше, а любые иные) способы сделать программирование на ассемблере более систематизированным, удобным и приятным, а не будут слепо копировать чужие, зачастую безнадежно «кривые» варианты.

Написание ОС-загрузчиков, драйверов, переписывание области памяти и другие задачи по работе с ЭВМ реализовываются с помощью ассемблера. Выбранные книги по ассемблеру помогут понять принцип работы машинно-ориентированного языка и освоить его.

1. Ревич Ю. – Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера, 2014 г.

«Свежая кровь» в области программирования микроконтроллеров. Подробно изложены особенности Atmel AVR, есть перечень команд и готовые рецепты – ассемблер на примерах. Хорошая вещь для радиолюбителей и инженерно-технических работников, хотя подойдет и начинающим кодерам: затронуты история, семейства и возможности МК AVR. Стоит отметить, что введение лаконичное, быстро перетекающее в суть, поэтому сетовать на лирику не придется.

2. Калашников О. – Ассемблер – это просто. Учимся программировать, 2011 г.

Настоящее раздолье для новичков, которые еще гуглят базовую терминологию и ищут ассемблер учебник. Это он и есть. Помимо ознакомления с языком и первых программ, также затронуты болевые точки – прерывания: штука несложная, но поначалу тяжелая для восприятия. С каждой главой ассемблер уроки усложняются, и на выходе читатель сможет писать программы на ассемблере, оптимизировать их, работать с вирусами, антивирусами, памятью и файловыми системами.

3. Аблязов Р. – Программирование на ассемблере на платформе x86-64, 2011 г.

Акцент делается на работе процессора в защищенном режиме и long mode. Это незаменимая база для программирования в Win32 и Win64, которая затрагивает команды ассемблера, прерывания, механизмы трансляции и защиты с учетом режимных отличий. Рассматривается разработка оконных приложений и драйверов. Данный ассемблер учебник подойдет начинающим кодерам и тем, кто сразу перешел к программированию на ассемблере, но плохо разобрался в аппаратной платформе x86-64.

4. Столяров А. – Программирование на языке ассемблера NASM для ОС Unix, 2011 г.

Начиная терминологией и заканчивая взаимодействием с ОС, это без преувеличений одно из лучших учебных пособий. Для тех, кто стремится освоить программирование на ассемблере, но при этом не хочет перегружать книжные полки, достаточно этого учебника. Подробно расписан синтаксис языка ассемблера NASM, затронуты регистры и память, операции различной сложности, команды, а также приведены примеры.

Программирование на языке ассемблера

В данной части курса рассматриваются основы программирования на языке ассемблера для архитектуры Win32.

Все процессы в машине на самом низком, аппаратном уровне приводятся в действие только командами (инструкциями) машинного языка. Язык ассемблера – это символическое представление машинного языка . Ассемблер позволяет писать короткие и быстрые программы. Однако этот процесс чрезвычайно трудоёмкий. Для написания максимально эффективной программы необходимо хорошее знание особенностей команд языка ассемблера, внимание и аккуратность. Поэтому реально на языке ассемблера пишутся в основном программы, которые должны обеспечить эффективную работу с аппаратной частью. Также на языке ассемблера пишутся критичные по времени выполнения или расходованию памяти участки программы. Впоследствии они оформляются в виде подпрограмм и совмещаются с кодом на языке высокого уровня.

1. Регистры

Регистры – это специальные ячейки памяти, расположенные непосредственно в процессоре. Работа с регистрами выполняется намного быстрее, чем с ячейками оперативной памяти, поэтому регистры активно используются как в программах на языке ассемблера, так и компиляторами языков высокого уровня.

Регистры можно разделить на регистры общего назначения ,указатель команд ,регистр флагов и сегментные регистры .

1.1. Регистры общего назначения

К регистрам общего назначения относится группа из 8 регистров, которые можно использовать в программе на языке ассемблера. Все регистры имеют размер 32 бита и могут быть разделены на 2 или более частей.

Как видно из рисунка, регистры ESI, EDI, ESP и EBP позволяют обращаться к младшим 16 битам по именам SI, DI, SP и BP соответственно, а регистры EAX, EBX, ECX и EDX позволяют обращаться как к младшим 16 битам (по именам AX, BX, CX и DX), так и к двум младшим байтам по отдельности (по именам AH/AL, BH/BL, CH/CL и

Названия регистров происходят от их назначения:

EAX/AX/AH/AL (accumulator register) – аккумулятор;

EBX/BX/BH/BL (base register ) –регистр базы;

ECX/CX/CH/CL (counter register) – счётчик;

EDX/DX/DH/DL (data register ) – регистр данных;

ESI/SI (source index register ) – индекс источника;

EDI/DI (destination index register ) – индекс приёмника (получателя);

ESP/SP (stack pointer register ) – регистр указателя стека;

EBP/BP (base pointer register ) – регистр указателя базы кадра стека.

Несмотря на существующую специализацию, все регистры можно использовать в любых машинных операциях. Однако надо учитывать тот факт, что некоторые команды работают только с определёнными регистрами. Например, команды умножения и деления используют регистры EAX и EDX для хранения исходных данных и результата операции. Команды управления циклом используют регистр ECX в качестве счётчика цикла.

Ещё один нюанс состоит в использовании регистров в качестве базы , т.е. хранилища адреса оперативной памяти. В качестве регистров базы можно использовать любые регистры, но желательно использовать регистры EBX, ESI, EDI или EBP. В этом случае размер машинной команды обычно бывает меньше.

К сожалению, количество регистров катастрофически мало, и зачастую бывает трудно подобрать способ их оптимального использования.

1.2. Указатель команд

Регистр EIP (указатель команд ) содержит смещение следующей подлежащей выполнению команды. Этот регистр непосредственно недоступен программисту, но загрузка и изменение его значения производятся различными командами управления, к которым относятся команды условных и безусловных переходов, вызова процедур и возврата из процедур.

1.3. Регистр флагов

Флаг – это бит, принимающий значение 1 («флаг установлен»), если выполнено некоторое условие, и значение 0 («флаг сброшен») в противном случае. Процессор имеетрегистр флагов , содержащий набор флагов, отражающий текущее состояние процессора.

Обозначение

Название

Флаг перено

								Зарезервиро
								Зарезервиро


								Флаг чётност


								Зарезервиро
								Зарезервиро


					Auxiliary Carry Flag			Вспомогател


								Зарезервиро
								Зарезервиро


								Флаг нуля


								Флаг знака


								Флаг трассир


					Interrupt Enable Flag			Флаг разреш


								Флаг направ


								Флаг перепо



					I/O Privilege Level			Уровень при





								Флаг вложен


								Зарезервиро
								Зарезервиро





								Флаг возобн


					Virtual-8086 Mode			Режим вирту


								Проверка вы


					Virtual Interrupt Flag			Виртуальны


					Virtual Interrupt Pending			Ожидающее


								Проверка на





								Зарезервиро

Значение флагов CF, DF и IF можно изменять напрямую в регистре флагов с помощью специальных инструкций (например, CLD для сброса флага направления), но нет инструкций, которые позволяют обратиться к регистру флагов как к обычному регистру. Однако можно сохранять

регистр флагов в стек или регистр AH и восстанавливать регистр флагов из них с помощью инструкций LAHF ,SAHF ,PUSHF ,PUSHFD ,POPF иPOPFD .

1.3.1. Флаги состояния

Флаги состояния (биты 0, 2, 4, 6, 7 и 11) отражают результат выполнения арифметических инструкций, таких как ADD ,SUB ,MUL ,DIV .

Флаг переноса CF устанавливается при переносе из старшего значащего бита/заёме в старший значащий бит и показывает наличие переполнения в беззнаковой целочисленной арифметике. Также используется в длинной арифметике.

Флаг чётности PF устанавливается, если младший значащий байт результата содержит чётное число единичных битов. Изначально этот флаг был ориентирован на использование в коммуникационных программах: при передаче данных по линиям связи для контроля мог также передаваться бит чётности и инструкции для проверки флага чётности облегчали проверку целостности данных.

Вспомогательный флаг переноса AF устанавливается при переносе из бита 3-го результата/заёме в 3-ий бит результата. Этот флаг ориентирован на использование в двоично-десятичной (binary coded decimal, BCD) арифметике.

Флаг нуля ZF устанавливается, если результат равен нулю.

Флаг знака SF равен значению старшего значащего бита результата, который является знаковым битом в знаковой арифметике.

Флаг переполнения OF устанавливается, если целочисленный результат слишком длинный для размещения в целевом операнде (регистре или ячейке памяти). Этот флаг показывает наличие переполнения в знаковой целочисленной арифметике.

Из перечисленных флагов только флаг CF можно изменять напрямую с помощью инструкций STC ,CLC иCMC .

Флаги состояния позволяют одной и той же арифметической инструкции выдавать результат трёх различных типов: беззнаковое, знаковое и двоично-десятичное (BCD) целое число. Если результат считать беззнаковым числом, то флаг CF показывает условие переполнения (перенос или заём), для знакового результата перенос или заём показывает флаг OF, а для BCD-результата перенос/заём показывает флаг AF. Флаг SF отражает знак знакового результата, флаг ZF отражает и беззнаковый, и знаковый нулевой результат.

В длинной целочисленной арифметике флаг CF используется совместно с инструкциями сложения с переносом (ADC ) и вычитания с заёмом (SBB ) для распространения переноса или заёма из одного вычисляемого разряда длинного числа в другой.


Инструкции	условного	перехода Jcc (переход
условию cc ),SETcc (установить		значение	байта-результата
зависимости	условия cc ),LOOPcc (организация
и CMOVcc (условное	копирование)	используют	один или несколько

флагов состояния для проверки условия. Например, инструкция перехода JLE (jump if less or equal – переход, если «меньше или равно») проверяет условие «ZF = 1 или SF ≠ OF».

Флаг PF был введён для совместимости с другими микропроцессорными архитектурами и по прямому назначению используется редко. Более распространено его использование совместно с остальными флагами состояния в арифметике с плавающей запятой: инструкции сравнения (FCOM ,FCOMP и т. п.) в математическом сопроцессоре устанавливают в нём флаги-условия C0, C1, C2 и C3, и эти флаги можно скопировать в регистр флагов. Для этого рекомендуется использовать инструкциюFSTSW AX для сохранения слова состояния сопроцессора в регистре AX и инструкциюSAHF для последующего копирования содержимого регистра AH в младшие 8 битов регистра флагов, при этом C0 попадает во флаг CF, C2 – в PF, а C3 – в ZF. Флаг C2 устанавливается, например, в случае несравнимых аргументов (NaN или неподдерживаемый формат) в инструкции сравненияFUCOM .

1.3.2. Управляющий флаг

Флаг направления DF (бит 10 в регистре флагов) управляет строковыми инструкциями (MOVS ,CMPS ,SCAS ,LODS иSTOS ) – установка флага заставляет уменьшать адреса (обрабатывать строки от старших адресов к младшим), обнуление заставляет увеличивать адреса. ИнструкцииSTD иCLD соответственно устанавливают и сбрасывают флаг DF.

1.3.3. Системные флаги и поле IOPL

Системные флаги и поле IOPL управляют операционной средой и не предназначены для использования в прикладных программах.

Флаг разрешения прерываний IF – обнуление этого флага запрещает отвечать на маскируемые запросы на прерывание.

Флаг трассировки TF – установка этого флага разрешает пошаговый режим отладки, когда после каждой выполненной

инструкции происходит прерывание программы и вызов специального обработчика прерывания.

Поле IOPL показывает уровень приоритета ввода-вывода исполняемой программы или задачи: чтобы программа или задача могла выполнять инструкции ввода-вывода или менять флаг IF, её текущий уровень приоритета (CPL) должен быть ≤ IOPL.

Флаг вложенности задач NT – этот флаг устанавливается, когда текущая задача «вложена» в другую, прерванную задачу, и сегмент состояния TSS текущей задачи обеспечивает обратную связь с TSS предыдущей задачи. Флаг NT проверяется инструкцией IRET для определения типа возврата – межзадачного или внутризадачного.

Флаг возобновления RF используется для маскирования ошибок отладки.

VM – установка этого флага в защищённом режиме вызывает переключение в режим виртуального 8086.

Флаг проверки выравнивания AC – установка этого флага вместе с битом AM в регистре CR0 включает контроль выравнивания операндов при обращениях к памяти: обращение к невыравненному операнду вызывает исключительную ситуацию.

VIF – виртуальная копия флага IF; используется совместно с флагом VIP.

VIP – устанавливается для указания наличия отложенного прерывания.

ID – возможность программно изменить этот флаг в регистре флагов указывает на поддержку инструкции CPUID.

1.4. Сегментные регистры

Процессор имеет 6 так называемых сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS и GS. Их существование обусловлено спецификой организации и использования оперативной памяти.

16-битные регистры могли адресовать только 64 Кб оперативной памяти, что явно недостаточно для более или менее приличной программы. Поэтому память программе выделялась в виде несколькихсегментов , которые имели размер 64 Кб. При этомабсолютные адреса были 20-битными, что позволяло адресовать уже 1 Мб оперативной памяти. Возникает вопрос – как имея 16-битные регистры хранить 20-битные адреса? Для решения этой задачи адрес разбивался набазу исмещение . База – это адрес начала сегмента, а смещение – это номер байта внутри сегмента. На адрес начала сегмента накладывалось ограничение – он должен был быть кратен 16. При этом последние 4 бита были равны 0 и не хранились, а подразумевались. Таким образом, получались две 16-битные части адреса. Для получения

абсолютного адреса к базе добавлялись четыре нулевых бита, и полученное значение складывалось со смещением.

Сегментные регистры использовались для хранения адреса начала сегмента кода (CS – code segment),сегмента данных (DS – data segment) исегмента стека (SS – stack segment). Регистры ES, FS и GS были добавлены позже. Существовало несколько моделей памяти, каждая из которых подразумевала выделение программе одного или нескольких сегментов кода и одного или нескольких сегментов данных:tiny ,small ,medium ,compact ,large иhuge . Для команд языка ассемблера существовали определённые соглашения: адреса перехода сегментировались по регистру CS, обращения к данным сегментировались по регистру DS, а обращения к стеку – по регистру SS. Если программе выделялось несколько сегментов для кода или данных, то приходилось менять значения в регистрах CS и DS для обращения к другому сегменту. Существовали так называемые «ближние» и «дальние» переходы. Если команда, на которую надо совершить переход, находилась в том же сегменте, то для перехода достаточно было изменить только значение регистра IP. Такой переход называлсяближним . Если же команда, на которую надо совершить переход, находилась в другом сегменте, то для перехода необходимо было изменить как значение регистра CS, так и значение регистра IP. Такой переход называлсядальним и осуществлялся дольше.

32-битные регистры позволяют адресовать 4 Гб памяти, что уже достаточно для любой программы. Каждую Win32-программу Windows запускает в отдельном виртуальном пространстве. Это означает, что каждая Win32-программа будет иметь 4-х гигабайтовое адресное пространство, но вовсе не означает, что каждая программа имеет 4 Гб физической памяти, а только то, что программа может обращаться по любому адресу в этих пределах. А Windows сделает все необходимое, чтобы память, к которой программа обращается, «существовала». Конечно, программа должна придерживаться правил, установленных

Windows, иначе возникает ошибка General Protection Fault.

Под архитектурой Win32 отпала необходимость в разделении адреса на базу и смещение, и необходимость в моделях памяти. На 32-

используются по-другому1 . Раньше необходимо было связывать отдельные части программы с тем или иным сегментным регистром и сохранять/восстанавливать регистр DS при переходе к другому сегменту данных или явно сегментировать данные по другому регистру. При 32-битной архитектуре необходимость в этом отпала, и в простейшем случае про сегментные регистры можно забыть.

1.5. Использование стека

Каждая программа имеет область памяти, называемую стеком . Стек используется для передачи параметров в процедуры и для хранения локальных данных процедур. Как известно,стек – это область памяти, при работе с которой необходимо соблюдать определённые правила, а именно: данные, которые попали в стек первыми, извлекаются оттуда последними. С другой стороны, если программе выделена некоторая память, то нет никаких физических ограничений на чтение и запись. Как же совмещаются два этих противоречивых принципа?

Пусть у нас есть функция f1 , которая вызывает функциюf2 , а функцияf2 , в свою очередь, вызывает функциюf3 . При вызове функцииf1 ей отводится определённое место в стеке под локальные данные. Это место отводится путём вычитания из регистра ESP значения, равного размеру требуемой памяти. Минимальный размер отводимой памяти равен 4 байтам, т.е. даже если процедуре требуется 1 байт, она должна занять 4 байта.

Функция f1 выполняет некоторые действия, после чего вызывает

функция f2 вызывает функциюf3 , которая также отводит себе место в стеке. Функцияf3 других функций не вызывает и при завершении работы должна освободить место в стеке, прибавив к регистру ESP значение, которые было вычтено при вызове функции. Если функцияf3 не восстановит значение регистра ESP, то функцияf2 , продолжив работу, будет обращаться не к своим данным, т.к. она ищет

которое было до её вызова.

Таким образом, на уровне процедур необходимо соблюдать правила работы со стеком – процедура, которая заняла место в стеке последней, должна освобождать его первой. При несоблюдении этого правила, программа будет работать некорректно. Но каждая процедура может обращаться к своей области стека произвольным образом. Если бы мы были вынуждены соблюдать правила работы со стеком внутри каждой процедуры, пришлось бы перекладывать данные из стека в другую область памяти, а это было бы крайне неудобно и чрезвычайно замедлило бы выполнение программы.

Каждая программа имеет область данных, где размещаются глобальные переменные. Почему же локальные данные хранятся именно в стеке? Это делается для уменьшения объёма памяти занимаемого программой. Если программа будет последовательно вызывать несколько процедур, то в каждый момент времени будет отведено место только под данные одной процедуры, т.к. стек занимается и освобождается. Область данных существует всё время работы программы. Если бы локальные данные размещались в области данных, пришлось бы отводить место под локальные данные длявсех процедур программы.

Локальные данные автоматически не инициализируются. Если в вышеприведённом примере функция f2 после функцииf3 вызовет функциюf4 , то функцияf4 займёт в стеке место, которое до этого было занято функциейf3 , таким образом, функцииf4 «в наследство» достанутся данные функцииf3 . Поэтому каждая процедура обязательно должна заботиться об инициализации своих локальных данных.

2. Основные понятия языка ассемблера

2.1. Идентификаторы

Понятие идентификатора в языке ассемблера ничем не отличается от понятия идентификатора в других языках. Можно использовать латинские буквы, цифры и знаки _ . ? @ $ , причём точка может быть только первым символом идентификатора. Большие и маленькие буквы считаются эквивалентными.

2.2. Целые числа

В программе на языке ассемблера целые числа могут быть записаны в двоичной, восьмеричной, десятичной и шестнадцатеричной системах счисления. Для задания системы счисления в конце числа

Для того чтобы машина могла выполнить команды человека на аппаратном уровне, необходимо задать определенную последовательность действий на языке «ноликов и единиц». Помощником в этом деле станет Ассемблер. Это утилита, которая работает с переводом команд на машинный язык. Однако написание программы - весьма трудоемкий и сложный процесс. Данный язык не предназначен для создания легких и простых действий. На данный момент любой используемый язык программирования (Ассемблер работает прекрасно) позволяет написать специальные эффективные задачи, которые сильно влияют на работу аппаратной части. Основным предназначением является создание микрокоманд и небольших кодов. Данный язык дает больше возможностей, чем, например, Паскаль или С.

Краткое описание языков Ассемблера

Все языки программирования разделяются по уровням: низкий и высокий. Любой из синтаксической системы «семейки» Ассемблера отличается тем, что объединяет сразу некоторые достоинства наиболее распространенных и современных языков. С другими их роднит и то, что в полной мере можно использовать систему компьютера.

Отличительной особенностью компилятора является простота в использовании. Этим он отличается от тех, которые работают лишь с высокими уровнями. Если взять во внимание любой такой язык программирования, Ассемблер функционирует вдвое быстрее и лучше. Для того чтобы написать в нем легкую программу, не понадобится слишком много времени.

Кратко о структуре языка

Если говорить в общем о работе и структуре функционирования языка, можно точно сказать, что его команды полностью соответствуют командам процессора. То есть Ассемблер использует мнемокоды, наиболее удобные человеку для записи.

В отличие от других языков программирования, Ассемблер использует вместо адресов для записи ячеек памяти определенные метки. Они с процессом выполнения кода переводятся в так называемые директивы. Это относительные адреса, которые не влияют на работу процессора (не переводятся в машинный язык), а необходимы для распознавания самой средой программирования.

Для каждой линейки процессора существует своя При таком раскладе правильным будет любой процесс, в том числе и переведенный

Язык Ассемблера имеет несколько синтаксисов, которые будут рассмотрены в статье.

Плюсы языка

Наиболее важным и удобным приспособлением языка Ассемблера станет то, что на нем можно написать любую программу для процессора, которая будет весьма компактной. Если код оказывается огромным, то некоторые процессы перенаправляет в оперативную память. При этом они все выполняют достаточно быстро и без сбоев, если конечно, ими управляет квалифицированный программист.

Драйвера, операционные системы, BIOS, компиляторы, интерпретаторы и т. д. - это все программа на языке Ассемблера.

При использовании дизассемблера, который совершает перевод из машинного в можно запросто понять, как работает та или иная системная задача, даже если к ней нет пояснений. Однако такое возможно лишь в том случае, если программы легкие. К сожалению, в нетривиальных кодах разобраться достаточно сложно.

Минусы языка

К сожалению, начинающим программистам (и зачастую профессионалам) трудно разобрать язык. Ассемблер требует подробного описания необходимой команды. Из-за того, что нужно использовать машинные команды, растет вероятность ошибочных действий и сложность выполнения.

Для того чтобы написать даже самую простую программу, программист должен быть квалифицированным, а его уровень знаний достаточно высоким. Средний специалист, к сожалению, зачастую пишет плохие коды.

Если платформа, для которой создается программа, обновляется, то все команды необходимо переписывать вручную - этого требует сам язык. Ассемблер не поддерживает функцию автоматического регулирования работоспособности процессов и замену каких-либо элементов.

Команды языка

Как уже было сказано выше, для каждого процессора имеется свой набор команд. Простейшими элементами, которые распознаются любыми типами, являются следующие коды:

Использование директив

Программирование микроконтроллеров на языке (Ассемблер это позволяет и прекрасно справляется с функционированием) самого низкого уровня в большинстве случаев заканчивается удачно. Лучше всего использовать процессоры с ограниченным ресурсом. Для 32-разрядной техники данный язык подходит отлично. Часто в кодах можно заметить директивы. Что же это? И для чего используется?

Для начала необходимо сделать акцент на том, что директивы не переводятся в машинный язык. Они регулируют выполнение работы компилятором. В отличие от команд, эти параметры, имея различные функции, отличаются не благодаря разным процессорам, а за счет другого транслятора. Среди основных директив можно выделить следующие:

Происхождение названия

Благодаря чему получил название язык - "Ассемблер"? Речь идет о трансляторе и компиляторе, которые и производят зашифровку данных. С английского Assembler означает не что иное, как сборщик. Программа не была собрана вручную, была использована автоматическая структура. Более того, на данный момент уже у пользователей и специалистов стерлась разница между терминами. Часто Ассемблером называют языки программирования, хотя это всего лишь утилита.

Из-за общепринятого собирательного названия у некоторых возникает ошибочное решение, что существует единый язык низкого уровня (или же стандартные нормы для него). Чтобы программист понял, о какой структуре идет речь, необходимо уточнять, для какой платформы используется тот или иной язык Ассемблера.

Макросредства

Языки Ассемблера, которые созданы относительно недавно, имеют макросредства. Они облегчают как написание, так и выполнение программы. Благодаря их наличию, транслятор выполняет написанный код в разы быстрее. При создании условного выбора можно написать огромный блок команд, а проще воспользоваться макросредствами. Они позволят быстро переключаться между действиями, в случае выполнения условия или невыполнения.

При использовании директив макроязыка программист получает макросы Ассемблера. Иногда он может широко использоваться, а иногда его функциональные особенности снижаются до одной команды. Их наличие в коде облегчает работу с ним, делает его более понятным и наглядным. Однако следует все равно быть внимательным - в некоторых случаях макросы, наоборот, ухудшают ситуацию.