написание кода на ассемблере

Как писать на ассемблере в 2018 году

Статья посвящена языку ассемблер с учетом актуальных реалий. Представлены преимущества и отличия от ЯВУ, произведено небольшое сравнение компиляторов, скрупулёзно собрано значительное количество лучшей тематической литературы.

1. Язык. Преимущества и отличия от ЯВУ

Ассемблер (Assembly) — язык программирования, понятия которого отражают архитектуру электронно-вычислительной машины. Язык ассемблера — символьная форма записи машинного кода, использование которого упрощает написание машинных программ. Для одной и той же ЭВМ могут быть разработаны разные языки ассемблера. В отличие от языков высокого уровня абстракции, в котором многие проблемы реализации алгоритмов скрыты от разработчиков, язык ассемблера тесно связан с системой команд микропроцессора. Для идеального микропроцессора, у которого система команд точно соответствует языку программирования, ассемблер вырабатывает по одному машинному коду на каждый оператор языка. На практике для реальных микропроцессоров может потребоваться несколько машинных команд для реализации одного оператора языка.

Язык ассемблера обеспечивает доступ к регистрам, указание методов адресации и описание операций в терминах команд процессора. Язык ассемблера может содержать средства более высокого уровня абстракции: встроенные и определяемые макрокоманды, соответствующие нескольким машинным командам, автоматический выбор команды в зависимости от типов операндов, средства описания структур данных. Главное достоинство языка ассемблера — «приближенность» к процессору, который является основой используемого программистом компьютера, а главным неудобством — слишком мелкое деление типовых операций, которое большинством пользователей воспринимается с трудом. Однако язык ассемблера в значительно большей степени отражает само функционирование компьютера, чем все остальные языки.

И хотя драйвера и операционные системы сейчас пишут на Си, но Си при всех его достоинствах — язык высокого уровня абстракции, скрывающий от программиста различные тонкости и нюансы железа, а ассемблер — язык низкого уровня абстракции, прямо отражающий все эти тонкости и нюансы.

Для успешного использования ассемблера необходимы сразу три вещи:

Оптимальной можно считать программу, которая работает правильно, по возможности быстро и занимает, возможно, малый объем памяти. Кроме того, ее легко читать и понимать; ее легко изменить; ее создание требует мало времени и незначительных расходов. В идеале язык ассемблера должен обладать совокупностью характеристик, которые бы позволяли получать программы, удовлетворяющие как можно большему числу перечисленных качеств.

На языке ассемблера пишут программы или их фрагменты в тех случаях, когда критически важны:

Языки программирования высокого уровня абстракции разрабатывались с целью возможно большего приближения способа записи программ к привычным для пользователей компьютеров тех или иных форм записи, в частности математических выражений, а также чтобы не учитывать в программах специфические технические особенности отдельных компьютеров. Язык ассемблера разрабатывается с учетом специфики процессора, поэтому для грамотного написания программы на языке ассемблера требуется, в общем, знать архитектуру процессора используемого компьютера. Однако, имея в виду преимущественное распространение PC-совместимых персональных компьютеров и готовые пакеты программного обеспечения для них, об этом можно не задумываться, поскольку подобные заботы берут на себя фирмы-разработчики специализированного и универсального программного обеспечения.

2. О компиляторах

Какой ассемблер лучше?

Для процессора x86-x64, имеется более десятка различных ассемблер компиляторов. Они отличаются различными наборами функций и синтаксисом. Некоторые компиляторы больше подходят для начинающих, некоторые ― для опытных программистов. Некоторые компиляторы достаточно хорошо документированы, другие вообще не имеют документации. Для некоторых компиляторов разработано множеством примеров программирования. Для некоторых ассемблеров написаны учебные пособия и книги, в которых подробно рассматривается синтаксис, у других нет ничего. Какой ассемблер лучше?

Учитывая множество диалектов ассемблеров для x86-x64 и ограниченное количество времени для их изучения, ограничимся кратким обзором следующих компиляторов: MASM, TASM, NASM, FASM, GoASM, Gas, RosAsm, HLA.

Какую операционную систему вы бы хотели использовать?

Это вопрос, на который вы должны ответить в первую очередь. Самый многофункциональный ассемблер не принесет вам никакой пользы, если он не предназначен для работы под ту операционную систему, которую вы планируете использовать.

Поддержка 16 бит

Если ассемблер поддерживает DOS, то он поддерживает и 16-разрядные команды. Все ассемблеры предоставляют возможность писать код, который использует 16-разрядные операнды. 16-разрядная поддержка означает возможность создания кода, работающего в 16-разрядной сегментированной модели памяти (по сравнению с 32-разрядной моделью с плоской памятью, используемой большинством современных операционных систем).

Поддержка 64 бит

За исключением TASM, к которому фирма Borland охладела в середине нулевых, и, который не поддерживает в полном объеме даже 32-разрядные программы, все остальные диалекты поддерживают разработку 64-разрядных приложений.

Переносимость программ

Очевидно, что вы не собираетесь писать код на ассемблере x86-x64, который запускался бы на каком-то другом процессоре. Однако, даже на одном процессоре вы можете столкнуться с проблемами переносимости. Например, если вы предполагаете компилировать и использовать свои программы на ассемблере под разными операционными системами. NASM и FASM можно использовать в тех операционных системах, которые они поддерживают.

Предполагаете ли вы писать приложение на ассемблере и затем портировать, это приложение с одной ОС на другую с «перекомпиляцией» исходного кода? Эту функцию поддерживает диалект HLA. Предполагаете ли вы иметь возможность создавать приложения Windows и Linux на ассемблере с минимальными усилиями для этого? Хотя, если вы работаете с одной операционной системой и абсолютно не планируете работать в какой-либо другой ОС, тогда эта проблема вас не касается.

Поддержка высокоуровневых языковых конструкций

Некоторые ассемблеры предоставляют расширенный синтаксис, который обеспечивает языковые высокоуровневые структуры управления (типа IF, WHILE, FOR и так далее). Такие конструкции могут облегчить обучение ассемблеру и помогают написать более читаемый код. В некоторые ассемблеры встроены «высокоуровневые конструкции» с ограниченными возможностями. Другие предоставляют высокоуровневые конструкции на уровне макросов.

Никакой ассемблер не заставляет вас использовать какие-либо структуры управления или типы данных высокого уровня, если вы предпочитаете работать на уровне кодировки машинных команд. Высокоуровневые конструкции ― это расширение базового машинного языка, которое вы можете использовать, если найдете их удобными.

Качество документации

Удобство использования ассемблера напрямую связано с качеством его документации. Учитывая объем работы, который тратится для создания диалекта ассемблера, созданием документации для этого диалекта авторы компиляторов практически не заморачиваются. Авторы, расширяя свой язык, забывают документировать эти расширения.

В следующей таблице описывается качество справочного руководства ассемблера, которое прилагается к продукту:

Учебники и учебные материалы

Документация на самом ассемблере, конечно, очень важна. Еще больший интерес для новичков и других, изучающих язык ассемблера (или дополнительные возможности данного ассемблера), ― это наличие документации за пределами справочного руководства для языка. Большинство людей хотят, чтобы учебник, объясняющий, как программировать на ассемблере, не просто предоставляет синтаксис машинных инструкций и ожидает, что читателю объяснят, как объединять эти инструкции для решения реальных проблем.

MASM является лидером среди огромного объема книг, описывающих, как программировать на этом диалекте. Есть десятки книг, которые используют MASM в качестве своего ассемблера для обучения ассемблеру.

Большинство учебников по ассемблеру MASM/TASM продолжают обучать программированию под MS-DOS. Хотя постепенно появляются учебники, которые обучают программированию в Windows и Linux.

3. Литература и веб ресурсы

Beginners

Advanced

4. Практика

Итак, вы уже знаете, что такое ассемблер и с чем его едят. Вы запаслись парой/тройкой книг и веб мануалами, возможно определились и с компилятором… К сожалению уроки программирования выходят за рамки данной статьи, но для тех чей выбор пал на MASM/FASM можете воспользоваться следующими макетами:

Желаем вам, друзья, значительных достижений и новых знаний в 2018 году!

С уважением
Михаил Смоленцев MiklIrk (Иркутский государственный университет путей сообщения),
Алексей Гриценко expressrus (Донской государственный технический университет).

Ps1: Уважаемый, Хабрахабр! Добавьте в ваш редактор подсветку ассемблера (Intel-синтаксис), это пригодится для будущих статей!

Источник

Как писать на ассемблере в 2021 году

Несмотря на наличие множества языков различной степени высокоуровневости, сегодня ассемблер не потерял своей актуальности и в индексе TIOBE находится на почётном 10-ом месте (на февраль 2021), обогнав такие модные языки как Go и Rust. Одна из причин его привлекательности – в простоте и максимальной близости к железу; с другой стороны, программирование на ассемблере всё ещё может рассматриваться как искусство и даёт совершенно особые эмоции.

Однако писать программы целиком и полностью на ассемблере — не просто долго, муторно и сложно — но ещё и несколько глупо — ведь высокоуровневые абстракции для того и были придуманы, чтобы сократить время разработки и упростить процесс программирования. Поэтому чаще всего на ассемблере пишут отдельно взятые хорошо оптимизированные функции, которые затем вызываются из языков более высокого уровня, таких как с++ и c#.

Подсветка синтаксиса

B Visual Studio нет встроенной подсветки синтаксиса для ассемблера и прочих достижений современного IDE-строения; но её можно обеспечить с помощью сторонних расширений.

AsmHighlighter — исторически первый с минимальным функционалом и неполным набором команд — отсутсвуют не только AVX, но и некоторые из стандартных, в частности fsqrt. Именно этот факт побудил к написанию собственного расширения —

ASM Advanced Editor. В нём, помимо подсветки и сворачивания участков кода (с использованием комментариев «;[«, «;[+» и «;]») реализована привязка подсказок к регистрам, всплывающих по наведению курсора ниже по коду (также через комментарии). Выглядит это так:

Подсказки на команды также присутствуют, но скорее в экспериментальном виде – оказалось, что для их полноценного наполнения времени потребуется больше, чем на написание самого расширения.

Также внезапно выяснилось, что привычные кнопки рас/комментирования выделенного участка кода перестали работать. Поэтому пришлось писать ещё одно расширение, в котором эта функциональность была повешена на одну и ту же кнопку, а необходимость того или иного действия выбирается автоматически.

Asm Dude — обнаружился чуть позже. В нём автор пошёл другим путём и сфокусировал силы на встроенном справочнике команд и автодополнении, в том числе и с отслеживанием меток. Сворачивание кода там также присутствует (по «#region / #end region»), но привязки комментариев к регистрам вроде ещё нет.

32 vs. 64

С тех пор, как появилась 64-битная платформа, стало нормой писать по 2 варианта приложений. Пора завязывать с этим! Сколько можно тянуть легаси. Это же касается и расширений — найти процессор без SSE2 можно разве что в музее – к тому же, без SSE2 64-битные приложения и не заработают. Никакого удовольствия от программирования не будет, если писать по 4 варианта оптимизированных функций для каждой платформы. Только 64 бит/AVX, только хардкор! Хотя может быть и прямо противоположный взгляд — новые процессоры и так работают быстро, и оптимизацию стоит делать под старые. В общем, всё зависит от конкретной задачи.

Преимущество 64-битной платформе вовсе не в «широких» регистрах – а в том, что этих самых регистров стало в 2 раза больше – по 16 штук как общего назначения, так и XMM/YMM. Это не только упрощает программирование, но и позволяет значительно сократить обращения к памяти.

Если ранее без FPU было никуда, т.к. функции с вещественными числами оставляли результат на вершине стека, то на 64-битной платформе обмен проходит уже без его участия с использованием регистров xmm расширения SSE2. Intel в своих руководствах также активно рекомендует отказаться от FPU в пользу SSE2. Однако есть нюанс: FPU позволяет производить вычисления с 80-битной точностью — что в некоторых случаях может оказаться критически важным. Поэтому поддержка FPU никуда не делаcь, и рассматривать её как устаревшую технологию совершенно точно не стоит. Например, вычисление гипотенузы можно делать «в лоб» без опасения переполнения,

Основная сложность при программировании FPU — это его стековая организация. Для упрощения была написана небольшая утилитка, автоматически генерирующей комментарии с текущим состоянием стека (планировалось добавить подобную функциональность непосредственно в основное расширение для подсветки синтаксиса — но до этого руки так и не дошли)

Пример оптимизации: преобразование Хартли

Современные компиляторы с++ достаточно умны, чтобы автоматически векторизировать код на простых задачах типа суммирования чисел в массиве или поворота векторов, распознавая соответствующие паттерны в коде. Поэтому получить значительный прирост производительности на примитивных задачах не то что не получится — а наоборот, может оказаться, что ваша супер-оптимизированная программа работает медленнее того, что сгенерировал компилятор. Но и далеко идущие выводы из этого делать тоже не стоит — как только алгоритмы становятся чуточку сложнее и неочевиднее для оптимизации — всё волшебство оптимизирующих компиляторов пропадает. Получить десятикратный прирост производительности путём ручной оптимизации в 2021 году по-прежнему ещё возможно.

Итак, в качестве задачи возьмём алгоритм (медленного) преобразования Хартли:

Он также достаточно тривиальный для автоматической векторизации (убедимся позже), но даёт чуть больше пространства для оптимизации. Ну а наш оптимизированный вариант будет выглядеть так:

Обратите внимание: тут нет ни разворачивания цикла, ни SSE/AVX, ни косинусных таблиц, ни снижения сложности за счёт «быстрого» алгоритма преобразования. Единственная явная оптимизация — это итеративное вычисление синуса/косинуса во внутреннем цикле алгоритма непосредственно в регистрах FPU.

Поскольку речь идёт об интегральном преобразовании, то помимо скорости, нас ещё интересует точность вычисления и уровень накопленных погрешностей. В данном случае посчитать её очень просто — делая два преобразования подряд, мы должны получить (в теории) исходные данные. На практике они будут слегка отличаться, и можно будет посчитать ошибку через среднеквадратическое отклонения полученного результата от аналитического.

Результаты авто-оптимизации программы на c++ также могут сильно зависеть от настроек параметров компилятора и выбора допустимого расширенного набора инструкций (SSE/AVX/etc). При этом есть два нюанса:

Итак, компилятор Visual Studio 2019, целевая платформа AVX2, Floating Point Model=Precise. Чтобы было ещё интереснее — будет измерять из проекта на c# на массиве из 10000 элементов:

C# ожидаемо оказался медленнее с++, а функция на ассемблере оказалась быстрее в 9 раз! Однако ещё рано радоваться — установим Floating Point Model=Fast:

Как видно, это помогло значительно ускорить код и отставание от ручной оптимизации составило всего лишь в 1.8 раз. Но вот что не изменилось – так это погрешность. Что тот, что другой вариант дал ошибку в 4 значащих цифры – а это немаловажно при математических вычислениях.

В данном случае наш вариант оказался и быстрее, и точнее. Но так бывает не всегда – и выбирая FPU для хранения результатов мы неизбежно будем терять в возможности оптимизации векторизацией. Также никто не запрещает комбинировать FPU и SSE2 в тех случаях, когда это имеет смысл (в частности, такой подход я использовал в реализации double-double арифметики, получив 10-кратное ускорение при умножении).

Дальнейшая оптимизация преобразования Хартли лежит уже в другой плоскости и (для произвольного размера) требует алгоритма Блюстейна, который также критичен к точности промежуточных вычислений. Ну а этот проект можно скачать на GitHub, и в качестве бонуса там также можно найти реализацию функций для суммирования/масштабирования массивов на FPU/SSE2/AVX.

Что почитать

Литературы по ассемблеру навалом. Но можно выделить несколько ключевых источников:
1. Официальная документация от Intel. Ничего лишнего, вероятность опечаток минимальна (кои в печатной литературе встречаются повсеместно).
2. Официальная документация от Microsoft.
3. Онлайн справочник, спарсенный из официальной документации.
4. Сайт Агнера Фога, признанного эксперта по оптимизации. Также содержит образцы оптимизированного кода на C++ с использованием интринсиков.
5. SIMPLY FPU.
6. 40 Basic Practices in Assembly Language Programming.
7. Все, что нужно знать, чтобы начать программировать для 64-разрядных версий Windows.

Appendix: Почему бы просто не использовать интринсики (Intrinsics)?

С тех пор, как были придуманы интринсики, этот вопрос возникает каждый раз, как только заходит речь о какой-либо оптимизации на ассемблере — ведь они для того и были придуманы, чтобы иметь возможность использовать SIMD-инструкции без необходимости программирования на ассемблере. Поэтому короткий ответ — используйте.

Источник

Руководство по ассемблеру x86 для начинающих

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

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

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

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

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

Настройка среды

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

Я бы также рекомендовал держать под рукой таблицу ASCII.

Hello, world!

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

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

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

После запуска вы должны увидеть:

Makefile

Затем вместо вышеприведённых инструкций просто запускаем make.

Системные вызовы

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

Стек вызовов

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

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

Соглашение о вызовах для архитектуры x86

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

Правила вызывающей стороны

Перед вызовом функции вызывающая сторона должна:

Правила вызываемой подпрограммы

Перед вызовом подпрограмма должна:

Стек вызовов после шага 2:

Стек вызовов после шага 4:

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

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

Вход и выход

Написание некоторых основных функций

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

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

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

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

Создание стека

Теперь можно реализовать функции _push и _pop :

Вывод чисел

На C программа будет выглядеть примерно так:

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

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

Вычисление обратной польской записи

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

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

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

В ассемблере нужно реализовать нечто вроде такого кода на C:

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

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

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

Дальнейшие действия

Можете попрактиковаться, реализовав несколько дополнительных функций:

Источник