Podprogramy, tablice i stos
Definiowanie tablic
Aby zdefiniować tablicę w segmencie danych inicjalizowanych .data używamy dyrektyw db, dw itd. Możemy wykorzystać dyrektywę TIMES by nie pisać wielokrotnie tego samego.
Aby zdefiniować tablicę w segmencie danych nieinicjalizowanych .bss używamy dyrektyw resb, resw itd., pamiętając o operandzie określającym ilość rezerwowanych jednostek pamięci.
segment .data
a1 dd 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ; tablica 10 podwójnych słów zainicjalizowana na 1,2,..,10
a2 dw 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 ; tablica 10 słów zainicjalizowana na 0
a3 times 10 dw 0 ; j.w. z wykorzystaniem TIMES
a4 times 200 db 0 ; tablica bajtów zawierająca 200 zer
times 100 db 1 ; i potem 100 jedynek
segment .bss
a5 resd 10 ; tablica 10 podwójnych słów
a6 resw 100 ; tablica 100 słów
Warto pamiętać, że kompilator nie będzie w żaden sposób sprawdzał poprawności typów i ich właściwego użycia.
Poniższe zapisy definiują dokładnie takie same tablice (100 bajtów wypełnionych zerami).
tab1 times 100 db 0
tab2 times 50 dw 0
tab3 times 25 dd 0
Podany rozmiar jest głównie informacją dla assemblera jak ma traktować podaną stałą. Dlatego poniższe tablice nie są równoważne
tab1 times 100 db 1 ; kolejne bajty to 1,1,1,1,1,1,1,1,...
tab2 times 50 dw 1 ; 1,0,1,0,1,0,1,0,...
Dostęp do elementów tablicy
W asemblerze nie ma operatora [ ] z C, pozwalającego na dostęp do elementów tablicy. Aby uzyskać dostęp do elementu tablicy, należy obliczyć jego adres. Rozważmy definicje dwóch tablic:
array1 db 5, 4, 3, 2, 1 ; tablica bajtów
array2 dw 5, 4, 3, 2, 1 ; tablica słów
Przykłady operacji na tablicach:
mov al, [array1] ; al = array1[0]
mov al, [array1 + 1] ; al = array1[1]
mov [array1 + 3], al ; array1[3] = al
mov ax, [array2] ; ax = array2[0]
mov ax, [array2 + 2] ; ax = array2[1] (nie array2[2]!)
mov [array2 + 6], ax ; array2[3] = ax
mov [array2 + 3 * 2], ax ; można też tak
mov ax, [array2 + 1] ; w ax wartość 0x0400 (młodszy bajt z 5 i starszy z 4)
Na Listingu 1 przedstawiono przykład wykorzystania tablicy w procedurze sumującej liczby, wpisane w elementach tablicy:
Listing 1
mov rbx, array1 ; rbx = adres tablicy bajtów array1
mov rdx, 0 ; dx będzie zawierać sumę
mov rax, 0 ; zerujemy rax, bo w sumowaniu uczestniczy rejestr ax
mov rcx, 5 ; wielkość tablicy array1
lp:
mov al, [rbx] ; al = *ebx
add dx, ax ; dx += ax (nie al!)
inc rbx ; rbx++ (przesuwamy wskaźnik)
loop lp
Adresowanie pośrednie
W przypadku adresowania pośredniego (indirect addressing) rejestry pełnią rolę zmiennych wskaźnikowych. Aby wydobyć wartość spod adresu, który znajduje się w rejestrze, symbol rejestru w instrukcji umieszcza się w nawiasach kwadratowych:
mov ax, [Data] ; jawne adresowanie zmiennej Data
mov rbx, Data ; rbx = & Data
mov ax, [rbx] ; ax = *rbx
Ostatnie dwie linie powyższego kodu dają identyczny efekt w trakcie wykonania programu, co linia pierwsza. Zakładając, że Data jest zmienną o typie słowa, trzecia linia czyta do AX słowo (dwa bajty) wpisane pod adresem zapisanym w rejestrze RBX. Do pośredniego adresowania można wykorzystać rejestry ogólnego przeznaczenia (np. RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI).
Adresowanie skalowane ModR/M
Przy iteracyjnym dostępie do tablic korzysta się z adresowania skalowanego (ModR/M). Najbardziej ogólna forma takiego adresowania wygląda następująco:
[ base_reg + factor *index_reg + constant ]
gdzie
base_reg jest jednym z rejestrów ogólnego przeznaczenia np. RAX, RBX, RDI, R9 itd
factor jest równy 1, 2, 4 lub 8 w zależności od typu danych w indeksowanej tablicy t.j. bajt, słowo, podwójne słowo, poczwórne słowo (jeśli 1 to nie używamy),
index_reg jest jednym ogólnego przeznaczenia np. RAX, RBX, RDI, R9 itd
constant jest stałą (może np. służyć do wskazywania na dane pole wewnątrz większej struktury).
Listing 2
array2 dw 5, 4, 3, 2, 1 ; tablica słów
...
mov rbx, array2 ; rbx = adres tablicy array2
mov rcx, 5 ; liczba elementów tablicy
xor rdx, rdx ; zerujemy dx
sumowanie:
add dx, [rbx + 2*rcx - 2] ; dodajemy elementy od ostatniego
loop sumowanie
Jeżeli chcemy obliczyć adres elementu tablicy (np. w celu przekazania go do fukcji) możemy użyć instrukcji lea
lea rdx, [rbx + 2*rcx - 2] ; jeżeli rcx=2 to rdx będzie zawierał
; adres drugiego elementu tablicy (a nie jego wartość)
Niestandardowy przykład przekazywania adresu powrotu
Na Listingu 1 przedstawiono fragment kodu wykorzystującego rejestry oraz pośrednie adresowanie w celu przekazania danych pomiędzy programem głównym i procedurą.
Podprogram przekazuje też adres powrotu w rejestrze ecx, co jest niestandardowym sposobem i przykładem złych praktyk. Ma na celu pokazać jak uciążliwa i podatna na błędy jest taka konwencja.
Listing 1
; UWAGA: Przykład złych praktyk przy wywoływaniu podprogramu
BITS 32
segment .bss
input1 resd 1
input2 resd 1
segment .text
...
mov ebx, input1 ; ładujemy adres input1 do ebx
mov ecx, ret1 ; łądujemy adres etykiety ret1 do ecx - do tej etykiety nastąpi powrót z procedury
jmp short get_int ; wywołanie procedury get_int
ret1:
mov ebx, input2
mov ecx, $ + 7 ; ecx = adres bieżący + 7
; jest to adres pierwszego bajtu instrukcji do której wracamy z procedury get_int
; musimy znać ilość bajtów ile zajmie na danej maszynie kod maszynowy instrukcji jmp co czyni ten kod nieprzenaszalnym
jmp short get_int
...
; subprogram get_int
; Parametry:
; ebx - adres podwójnego słowa,w którym przechowywana będzie wczytana liczba
; ecx - adres instrukcji powrotu
get_int:
call read_int
mov [ebx], eax ; zapisujemy dane wejściowe do pamięci
jmp ecx ; powrót do procedury wołającej
Stos
Inny sposób wymiany danych pomiędzy procedurami korzysta ze stosu - obszaru pamięci zorganizowanego w postaci listy LIFO. Przy obsłudze stosu korzystamy z instrukcji PUSH, odkładającej dane na stos, i z instrukcji POP, ściągającej dane ze stosu.
Rejestr RSP zawiera adres szczytu stosu. Jest on automatycznie modyfikowany przez instrukcje push i pop. Stos rośnie w "dół" tzn. odłożenie danych na stos zmniejsza RSP.
Instrukcja
push rcx
jest formalnie równoważna
sub rsp, 8
mov [rsp], rcx
Instrukcja
pop rax
może być zastąpiona przez
mov rax, [rsp]
add rsp, 8
Wyłącznie w programach 32 bitowych mamy dostępne instrukcje PUSHA i POPA, które odkładają i przywracają wszystkie rejestry ogólnego przeznaczenia.
Stos jest kwantowany co oznacza, że dane są odkładane w "paczkach" 8 bajtowych w systemach 64 bitowych oraz po 4 bajty w systemach 32 bitowych. Dlatego też odkładamy tylko całe rejestry.
Ponieważ możemy ręcznie modyfikować RSP, należy dbać o to aby wartość rejestru RSP była zawsze podzielna odpowiednio przez 8 lub 4. Czasami funkcje wymagają nawet więcej np. aby szczyt stosu (RSP) był wyrównany do granicy 16 bajtów (podzielny przez 16).
Poniżej zakładam, że system jest 64 bitowy.
Poniższe instrukcje przedstawiają sposób użycia stosu, przy założeniu, że początkowo RSP wskazuje na adres 1000h.
mov rax, 1
push rax ; 1 zapisana pod adresem 0FF8h, RSP = 0FF8h
push 2 ; 2 zapisana pod adresem 0FF0h, RSP = 0FF0h
push 3 ; 3 zapisana pod adresem 0FE8h, RSP = 0FE8h
pop rax ; RAX = 3, RSP = 0FF0h
pop rbx ; RBX = 2, RSP = 0FF8h
pop rcx ; RCX = 1, RSP = 1000h
Instrukcje CALL i RET
Stos zdecydowanie ułatwia korzystanie z podprogramów i jest niejawnie wykorzystywany przez instrukcje CALL (wywołanie procedury) i RET (powrót z procedury). Instrukcja CALL przed skokiem pod podany adres wcześniej odkłada na stos adres następnej instrukcji (RIP). Natomiast instrukcja RET wykonuje skok pod adres pobrany ze szczytu stosu.
Fragment kodu wykonujący wczytanie 2 liczb wykorzystując asm64_io i umieszczenie ich w pamięci:
Listing 2
%include "asm64_io.inc"
BITS 64
segment .bss
input1 resd 1
input2 resd 1
segment .text
global asm_main
asm_main:
;...
mov ebx, input1 ; ładujemy adres input1 do ebx
call get_int ; wywołanie procedury get_int
mov ebx, input2
call get_int
ret
; subprogram get_int
; Parametry:
; ebx - adres podwójnego słowa,gdzie zapisana zostanie wczytana liczba
get_int:
push rax ; odkładamy rax na stos bo read_int go modyfikuje
call read_int
mov [ebx], eax ; zapisujemy dane wejściowe do pamięci
pop rax ; odtwarzamy rax
ret ; powrót do procedury wołającej
Ponieważ CALL i RET korzystają ze stosu, należy bardzo ostrożnie obsługiwać stos w podprogramach - błąd w obsłudze stosu (np. pozostawienie jakiś danych na stosie) może spowodować, że powrót z procedury nie uda się (nastąpi skok pod zły adres).
Instrukcja RET może mieć postać
ret n
gdzie n jest stałą. Instrukcja ta po dokonaniu powrotu z prodprogramu dodatkowo dodaje n do rejestr RSP. Może zostać to wykorzystywane przez podprogram do usunięcia ze stosu argumentów odłożonych na stosie przed wywołaniem podprogramu.
Zadanie 1
Zaimplementować program wczytujący liczby całkowite ze znakiem i odkładający je na stos aż do wczytania 0.
Następnie wczytujemy dodatkową liczbę całkowitą A.
Na ekran należy wypisać ilość wczytanych liczb mniejszych od A.
Zadanie 2
Zaimplementować funkcję szukającą elementu maksymalnego w tablicy liczb typu int (32 bitowe).
Przed wywołaniem funkcji na stosie znajdują się liczba elementów tablicy i wskaźnik na pierwszy element tablicy.
Funkcja powinna samodzielnie posprzątać te dane ze stosu (proszę uważać na adres powrotu).
Po powrocie z funkcji element maksymalny powinien znajdować się w rejestrze RAX.
Zadanie 3
Napisać funkcję przekształcającą dany łańcuch tekstowy (zakończony zerem) na liczbę całkowitą oraz drugą funkcję przekształcającą liczbę całkowitą (ze znakiem) na łańcuch tekstowy zakończony zerem ( np. dla liczby 123 wynikiem powinno być "123",0).
Program powinien prezentować możliwości tych funkcji.
Jak przekazać argumenty i jak zwrócić wynik?
Czy można wynik zwrócić na stosie?
Zadanie 4
Dane są dwa ciągi znaków s1 i s2 (poniższe są przykładowe):
s1="abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"
s2="zyxwvutsrqponmlkjihgfedcba"
Napisz program, który dla każdej litery ciągu wejściowego znalezionej na pozycji n w ciągu s1 wypisze odpowiadającą jej literę z ciągu s2 na pozycji n, natomiast nie znalezione znaki wypisuje bez zmian.
Przykład:
Podaj ciąg znaków...
ala ma kota
zoz nz plgz
Podaj ciąg znaków...
123 zoz nz plgz.
123 ala ma kota.