В статье будут рассмотрены основы языка ассемблер применительно к архитектуре win32. Он представляет собой символическую запись машинных кодов. В любой электронно-вычислительной машине самым низким уровнем является аппаратный. Здесь управление процессами происходит командами или инструкциями на машинном языке. Именно в этой области ассемблеру предназначено работать.

Программирование на ассемблер

Написание программы на ассемблере - крайне трудный и затратный процесс. Чтобы создать эффективный алгоритм, необходимо глубокое понимание работы ЭВМ, знание деталей команд, а также повышенное внимание и аккуратность. Эффективность - это критический параметр для программирования на ассемблер.

Главное преимущество языка ассемблер в том, что он позволяет создавать краткие и быстрые программы. Поэтому используется, как правило, для решения узкоспециализированных задач. Необходим код, работающий эффективно с аппаратными компонентами, или нужна программа, требовательная к памяти или времени выполнения.

Регистры

Регистрами в языке ассемблер называют ячейки памяти, расположенные непосредственно на кристалле с АЛУ (процессор). Особенностью этого типа памяти является скорость обращения к ней, которая значительно быстрее оперативной памяти ЭВМ. Она также называется сверхбыстрой оперативной памятью (СОЗУ или SRAM).

Существуют следующие виды регистров:

1. Регистры общего назначения (РОН).
2. Флаги.
3. Указатель команд.
4. Регистры сегментов.

Есть 8 регистров общего назначения, каждый размером в 32 бита.

Доступ к регистрам EAX, ECX, EDX, EBX может осуществляться в 32-битовом режиме, 16-битовом - AX, BX, CX, DX, а также 8-битовом - AH и AL, BH и BL и т. д.

Буква "E" в названиях регистров означает Extended (расширенный). Сами имена же связаны с их названиями на английском:

• Accumulator register (AX) - для арифметических операций.
• Counter register (CX) - для сдвигов и циклов.
• Data register (DX) - для арифметических операций и операций ввода/вывода.
• Base register (BX) - для указателя на данные.
• Stack Pointer register (SP) - для указателя вершины стека.
• Stack Base Pointer register (BP) - для индикатора основания стека.
• Source Index register (SI) - для указателя отправителя (источника).
• Destination Index register (DI) - для получателя.

Специализация РОН языка ассемблер является условной. Их можно использовать в любых операциях. Однако некоторые команды способны применять только определенные регистры. Например, команды цикла используют ESX для хранения значения счетчика.

Регистр флагов. Под этим подразумевается байт, который может принимать значения 0 и 1. Совокупность всех флагов (их порядка 30) показывают состояние процессора. Примеры флагов: Carry Flag (CF) - Флаг переноса, Overflow Flag (OF) - переполнения, Nested Flag (NT) - флаг вложенности задач и многие другие. Флаги делятся на 3 группы: состояние, управление и системные.

Указатель команд (EIP - Instruction Pointer). Данный регистр содержит адрес инструкции, которая должна быть выполнена следующей, если нет иных условий.

Регистры сегментов (CS, DS, SS, ES, FS, GS). Их наличие в ассемблере продиктовано особым управлением оперативной памятью, чтобы увеличить ее использование в программах. Благодаря им можно было управлять памятью размером до 4 Гб. В архитектуре Win32 необходимость в сегментах отпала, но названия регистров сохранились и используются по-другому.

Стек

Это область памяти, выделенная для работы процедур. Особенность стека заключается в том, что последние данные, записанные в него, доступны для чтения первыми. Или иными словами: первые записи стека извлекаются последними. Представить этот процесс себе можно в качестве башни из шашек. Чтобы достать шашку (нижнюю шашку в основание башни или любую в середине) нужно сначала снять все, которые лежат сверху. И, соответственно, последняя положенная на башню шашка, при разборе башни снимается первой. Такой принцип организации памяти и работы с ней продиктован ее экономией. Стек постоянно очищается и в каждый момент времени одна процедура использует его.

Идентификаторы, целые числа, символы, комментарии, эквивалентность

Идентификатор в языке программирования ассемблер имеет такой же смысл, как и в любом другом. Допускается использование латинских букв, цифр и символов "_", ".", "?", "@", "$". При этом прописные и строчные буквы эквивалентны, а точка может быть только первым символом идентификатора.

Целые числа в ассемблере можно указывать в системах отсчета с основаниями 2, 8, 10 и 16. Любая другая запись чисел будет рассматриваться компилятором ассемблера в качестве идентификатора.

В записи символьных данных допускается использовать как апострофы, так и кавычки. Если в символьной строке требуется указать один из них, то правила следующие:

• в строке, заключенной в апострофы, кавычки указываются один раз, апостроф - дважды: "can""t", " he said "to be or not to be" ";
• для строки, заключенной в кавычки, правило обратное: дублируются кавычки, апострофы указываются как есть: "couldn"t", " My favourite bar is ""Black Cat"" ".

Для указания комментирования в языке ассемблер используется символ точка с запятой - ";". Допустимо использовать комментарии как в начале строк, так и после команды. Заканчивается комментарий переводом строки.

Директива эквивалентности используется схожим образом тому, как в других языках указывают константные выражения. Эквивалентность указывается следующим способом:

Таким образом в программе все вхождения будут заменяться на, на месте которого допустимо указывать целое число, адрес, строку или другое имя. Директива EQU похожа по своей работе на #define в языке С++.

Директивы данных

Языки высокого уровня (C++, Pascal) являются типизированными. То есть, в них используются данные, имеющие определенный тип, имеются функции их обработки и т. д. В языке программирования ассемблер подобного нет. Существует всего 5 директив для определения данных:

1. DB - Byte: выделить 1 байт под переменную.
2. DW - Word: выделить 2 байта.
3. DD - Double word: выделить 4 байта.
4. DQ - Quad word: выделить 8 байтов.
5. DT - Ten bytes: выделить 10 байтов под переменную.

Буква D означает Define.

Любая директива может быть использована для объявления любых данных и массивов. Однако для строк рекомендуется использовать DB.

Синтаксис:

В качестве операнда допустимо использовать числа, символы и знак вопрос - "?", обозначающий переменную без инициализации. Рассмотрим примеры:

Real1 DD 12.34 char db "c" ar2 db "123456",0 ; массив из 7 байт num1 db 11001001b ; двоичное число num2 dw 7777o ; восьмеричное число num3 dd -890d ; десятичное число num4 dd 0beah ; шестнадцатеричное число var1 dd ? ; переменная без начального значения ar3 dd 50 dup (0) ; массив из 50 инициализированных эл-тов ar4 dq 5 dup (0, 1, 1.25) ; массив из 15 эл-тов, инициализированный повторами 0, 1 и 1.25

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.

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:

• знание синтаксиса транслятора ассемблера, который используется (например, синтаксис MASM, FASM и GAS отличается), назначение директив языка ассемблер (операторов, обрабатываемых транслятором во время трансляции исходного текста программы);
• понимание машинных инструкций, выполняемых процессором во время работы программы;
• умение работать с сервисами, предоставляемыми операционной системой - в данном случае это означает знание функций Win32 API. При работе с языками высокого уровня очень часто к API системы программист прямо не обращается; он может даже не подозревать о его существовании, поскольку библиотека языка скрывает от программиста детали, зависящие от конкретной системы. Например, и в Linux, и в Windows, и в любой другой системе в программе на Си/Си++ можно вывести строку на консоль, используя функцию printf() или поток cout, то есть для программиста, использующего эти средства, нет разницы, под какую систему делается программа, хотя реализация этих функций будет разной в разных системах, потому что API систем очень сильно различается. Но если человек пишет на ассемблере, он уже не имеет готовых функций типа printf(), в которых за него продумано, как «общаться» с системой, и должен делать это сам.

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:

• объем используемой памяти (программы-загрузчики, встраиваемое программное обеспечение, программы для микроконтроллеров и процессоров с ограниченными ресурсами, вирусы, программные защиты и т.п.);
• быстродействие (программы, написанные на языке ассемблера выполняются гораздо быстрее, чем программы-аналоги, написанные на языках программирования высокого уровня абстракции. В данном случае быстродействие зависит от понимания того, как работает конкретная модель процессора, реальный конвейер на процессоре, размер кэша, тонкостей работы операционной системы. В результате, программа начинает работать быстрее, но теряет переносимость и универсальность).

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?

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?

Поддержка 16 бит

Поддержка 64 бит

Переносимость программ

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

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

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

Учебники и учебные материалы

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

1. Абель П. Язык Ассемблера для IBM PC и программирования. – М.: Высшая школа, 1992. – 447 с.
2. Брэдли Д. Программирование на языке ассемблера для персональной ЭВМ фирмы IBM.– М.: Радио и связь, 1988. – 448 с.
3. Галисеев Г.В. Ассемблер IBM PC. Самоучитель.: – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 304 с.: ил.
4. Дао Л. Программирование микропроцессора 8088. – М.: Мир, 1988. – 357 с.
5. Жуков А.В., Авдюхин А.А. Ассемблер. – Спб.: БХВ-Петербург, 2003. – 448 с.: ил.
6. Зубков С.В., Ассемблер для DOS, Windows и UNIX. – М.: ДМК Пресс, 2000. – 608 с.: ил. (Серия «Для программистов»).
7. Ирвин К. Язык ассемблера для процессоров Intel, 4-е издание.: пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. – 912 с.: ил. – Парал. тит. англ.(см. также свежее 7-ое издание в оригинале)
8. Нортон П., Соухэ Д. Язык ассемблера для IBM PC.– М.: Компьютер, 1992.– 352 с.
9. Пильщиков В.Н. Программирование на языке ассемблера IBM PC.– М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1994–2014 288 с.
10. Скляров И.С. Изучаем ассемблер за 7 дней www.sklyaroff.ru

Advanced

1. Касперски К. Фундаментальные основы хакерства. Искусство дизассемблирования. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 448 с. – (Серия «Кодокопатель»)
2. Касперски К. Техника отладки программ без исходных текстов. – Спб.: БХВ-Петербург, 2005. – 832 с.: ил.
3. Касперски К. Компьютерные вирусы изнутри и снаружи. – Спб.: Питер, 2006. – 527 с.: ил.
4. Касперски К. Записки исследователя компьютерных вирусов. – Спб.: Питер, 2006. – 316 с.: ил.
5. Кнут Д. Искусство программирования, том 3. Сортировка и поиск, 2-е изд.: пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 832 с.: ил. – Парал. тит. англ.
6. Колисниченко Д.Н. Rootkits под Windows. Теория и практика программирования «шапок-невидимок», позволяющих скрывать от системы данные, процессы, сетевые соединения. – Спб.: Наука и Техника, 2006. – 320 с.: ил.
7. Лямин Л.В. Макроассемблер MASM.– М.: Радио и связь, 1994.– 320 с.: ил.
8. Магда Ю. Ассемблер для процессоров Intel Pentium. – Спб.: Питер, 2006. – 410 с.: ил.
9. Майко Г.В. Ассемблер для IBM PC.– М.: Бизнес-Информ, Сирин, 1997.– 212 с.
10. Уоррен Г. Алгоритмические трюки для программистов, 2-е изд.: пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 512 с.: ил. – Парал. тит. англ.
11. Скляров И.С. Искуство защиты и взлома информации. – Спб.: БХВ-Петербург, 2004. – 288 с.: ил.
12. Уэзерелл Ч. Этюды для программистов: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 288 с., ил.
13. Электронная библиотека братьев Фроловых www.frolov-lib.ru
14. Чекатов А.А. Использование Turbo Assembler при разработке программ.– Киев: Диалектика, 1995.– 288 с.
15. Юров В. Assembler: специальный справочник.– Спб.: Питер, 2001.– 496 с.: ил.
16. Юров В. Assembler. Практикум. 2-е изд. – Спб.: Питер, 2006. – 399 с.: ил.
17. Юров В. Assembler. Учебник для вузов. 2-е изд. – Спб.: Питер, 2007. – 637 с.: ил.
18. Пирогов В. Assembler учебный курс. 2001 Нолидж
19. Пирогов В. АССЕМБЛЕР учебный курс 2003 Нолидж-БХВ
20. Пирогов В. Assembler для windows
    1-ое издание ― М.: изд-во Молгачева С.В., 2002
    2-ое издание ― СПб.:. БХВ-Петербург, 2003 ― 684 с.: ил.
    3-ье издание ― СПб.:. БХВ-Петербург, 2005 ― 864 с.: ил.
    4-ое издание ― СПб.:. БХВ-Петербург, 2012 ― 896 с.: ил.
21. Пирогов В. Ассемблер на примерах. ― СПб.:. БХВ-Петербург, 2012 ― 416 с.: ил.
22. Пирогов В. АССЕМБЛЕР и дизассемблирование. ― СПб.:. БХВ-Петербург, 2006. ― 464 с.: ил.
23. Пирогов В. работа над книгой "64-битовое программирование на ассемблере (Windows,Unix)". В книге рассматривается программирование на fasm в 64-разрядных Windows и Unix
24. Юров В., Хорошенко С. Assembler: учебный курс.– Спб.: Питер, 1999. – 672 с.
25. Ю-Чжен Лю, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем.– М.: Радио и связь, 1987.– 512 с.
26. Agner Fog: Software optimization resources (assembly/c++) 1996 – 2017.

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.

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.

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

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.