Cours Architecture des Ordinateurs Programmation Assembleur
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- Emmanuel Arsène St-Amour
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1 Cours Architecture des Ordinateurs Programmation Assembleur Jean-Claude Bajard IUT - université Montpellier 2
2 Présentation du Première année IUT informatique 2
3 INTRODUCTION TO THE INTEL ARCHITECTURE Assembleur The table below shows the dramatic increases in performance and transistor count of the IA processors over their history, as predicted by Moore s Law, and also summarizes the evolution of other key features of the architecture. Table 2-1. Processor Performance Over Time and Other Intel Architecture Key Features Intel Processor Date of Product Introduction Perform -ance in MIPs 1 Max. CPU Frequency at Introduction No. of Transis -tors on the Die Main CPU Register Size 2 Extern. Data Bus Size 2 Max. Extern. Addr. Space Caches in CPU Package MHz 29 K MB None Intel MHz 134 K MB Note 3 Intel386 DX MHz 275 K GB Note 3 Intel MHz 1.2 M GB 8KB L1 DX MHz 3.1 M GB 16KB L1 Pro MHz 5.5 M GB 16KB L1; 256KB or 512KB L2 II M GB 32KB L1; 256KB or 512KB L2 III M 32 GP 128 SIMD-FP GB 32KB L1; 512KB L2 NOTES: 1. Performance here is indicated by Dhrystone MIPs (Millions of Instructions per Second) because even Première année IUTthough informatique MIPs are no longer considered a preferred measure of CPU performance, they are the only benchmarks that span all six generations of the IA. The MIPs and frequency values given here correspond 3 to the maximum CPU frequency available at product introduction.
4 The dual processor configuration allows two embedded processors to share a single L2 Assembleur Architectural Features Figure 2-1. Embedded Processor Block Diagram Control DP Logic 4 Branch Target Buffer Prefetch Address TLB Code Cache 16 Kbytes Bit Data Bus 32-Bit Address Bus Control Data Control Bus Unit 64-Bit Data Bus APIC 5 64 Instruction Pointer Branch Verification and Target Address Page Unit Bit Addr. Bus Address Generate (U Pipeline) TLB Prefetch Buffers Instruction Decode Control Unit Address Generate (V Pipeline) Integer Register File ALU (U Pipeline) Barrel Shifter ALU (V Pipeline) Data Cache 16 Kbytes 1 V-Pipeline Connection U-Pipeline Connection Control ROM MMX Technology Unit 2 Floating Point Unit 80 Control Register File Add Divide Multiply 80 A NOTES: 1. The Code and Data caches are each 8 Kbytes in size on the embedded processor (at 100/133/166 MHz). 2. The MMX Technology Unit is present only on the embedded processor with MMX technology. 3. The internal instruction bus is 256 bits wide on the embedded processor. 4. Dual processing is not present on the embedded processor with Voltage Reduction Technology or the low-power embedded processor with MMX technology. 5. The APIC is not present on the embedded processor with Voltage Reduction Technology. Première année IUT informatique 4
5 Assembleur Operands for logical and arithmetic operations Operands for address calculations Memory pointers Although all of these registers are available for general storage of operands, results, and pointers, caution should be used when referencing the ESP register. The ESP register holds the stack pointer and as a general rule should not be used for any other purpose. 31 General-Purpose Registers 0 EAX EBX ECX EDX ESI EDI EBP ESP Segment Registers 15 0 CS DS SS ES FS GS 31 Status and Control Registers EFLAGS EIP Figure 3-3. Application Programming Registers Many instructions assign specific registers to hold operands. For example, string instructions Première année use the contents of the ECX, ESI, and EDI registers as operands. When using a segmented IUT informatique memory model, some instructions assume that pointers in certain registers are relative to 5
6 Programmation Assembleur format ATT- GNU
7 Format d une instruction assembleur (gnu ATT) étiquette: mnémonique opérandes #commentaires étiquette: adresse effective de l instruction, utile pour les branchements mnémonique nom générique donné à une instruction : ADD, JUMP opérandes arguments de l instruction : 0, 1 ou 2 #commentaires non pris en compte au moment de l assemblage Première année IUT informatique 7
8 Type des opérandes opérande 1 : source registre immédiat mémoire registre immédiat opérande 2 : destination registre registre registre mémoire mémoire Première année IUT informatique 8
9 As shown in Figure 3-4, the lower 16 bits of the general-purpose registers map directly to the register set found in the 8086 and Intel 286 processors and can be referenced with the names AX, BX, CX, DX, BP, SP, SI, and DI. Each of the lower two bytes of the EAX, EBX, ECX, and EDX registers can be referenced by the names AH, BH, CH, and DH (high bytes) and AL, BL, CL, and DL (low bytes). Assembleur General-Purpose Registers AH AL BH CH DH BP SI BL CL DL 0 16-bit AX BX CX DX 32-bit EAX EBX ECX EDX EBP ESI DI SP EDI ESP Figure 3-4. Alternate General-Purpose Register Names Segment Registers The segment registers (CS, DS, SS, ES, FS, and GS) hold 16-bit segment selectors. A segment selector is a special pointer that identifies a segment in memory. To access a particular segment Première année IUT informatique 9
10 Les modes d adressages de la mémoire absolu => 0x registre indirecte : base => (%eax) base + déplacement=> 4(%eax) base + index * pas + déplacement => dep(base,index,scale) =>4(%eax,%ebx,2) Première année IUT informatique 10
11 Assembleur Index The value in a general-purpose register. Scale factor A value of 2, 4, or 8 that is multiplied by the index value. The offset which results from adding these components is called an effective address. Each of these components can have Les either modes a positive d adressages or negative (2s complement) value, with the exception of the scaling factor. Figure 5-6 shows all the possible ways that these components can be combined to create an effective address in the selected segment. Base EAX EBX ECX EDX ESP EBP ESI EDI Index Scale Displacement EAX EBX ECX EDX EBP ESI EDI 1 None + + * bit 16-bit 32-bit Offset = Base + (Index Scale) + Displacement Figure 5-6. Offset (or Effective Address) Computation The uses of general-purpose registers as base or index components are restricted in the following manner: The ESP register cannot be used as an index register. When the ESP or EBP register is used as the base, the SS segment is the default segment. Première année IUT informatique 11
12 Types des instructions Transfert : mouvement de données, MOV Arithmétique et logique : ADD, AND Contrôle : saut conditionnel appel de procédure Interruption : en général : int numéro de 0 à 255 Première année IUT informatique 12
13 Assembleur All Intel Architecture instruction encodings are subsets of the general instruction format shown in Figure 2-1. Instructions consist of optional instruction prefixes (in any order), one or two primary opcode bytes, an addressing-form specifier (if required) consisting of the ModR/M byte and sometimes the SIB Format (Scale-Index-Base) d une instruction byte, a displacement machine (if required), and an immediate data field (if required). Instruction Prefixes Opcode ModR/M SIB Displacement Immediate Up to four prefixes of 1-byte each (optional) 1 or 2 byte opcode 1 byte (if required) 1 byte (if required) Address displacement of 1, 2, or 4 bytes or none Immediate data of 1, 2, or 4 bytes or none Reg/ Mod Opcode 2 R/M Scale Index 2 Base 0 Figure 2-1. Intel Architecture Instruction Format 2.2. INSTRUCTION PREFIXES longueur d une instruction de un à 16 octets The instruction prefixes are divided into four groups, each with a set of allowable prefix codes: Lock and repeat prefixes. F0H LOCK prefix. F2H REPNE/REPNZ prefix (used only with string instructions). Première année IUT informatique 13 F3H REP prefix (used only with string instructions).
14 Structure d un programme : les segments A l origine un programme comportait au moins trois segments associés à des registres (16 bits): code : CS EIP =>.text données : DS =>.data pile : SS ESP=>.bss La gestion de la mémoire est fortement liée au système d exploitation. Elle peut être de deux types : segmentée (8086 avec msdos) ou paginée (linux), l utilisation des regitres segment pour l adressage physique dépend de cette gestion (voir doc Première année IUT informatique 14
15 Structure d un programme :.data bonjour:.string "hello world!\n" taille:.long. - bonjour.text.globl main main: ## appel système de write () movl $4, %eax # write () system call movl $1,%ebx # %ebx = 1, fd = stdout leal bonjour, %ecx # %ecx ---> bojour movl taille, %edx # %edx = count int $0x80 # execute write () system call Première année IUT informatique 15
16 ## appel système de exit () xorl %eax, %eax # %eax = 0 incl %eax # %eax = 1 system call _exit () xorl %ebx, %ebx # %ebx = 0 normal program return code int $0x80 # execute system call _exit () Première année IUT informatique 16
17 Structure d un programme : les données directives :.byte octet : 8 bits.word mot : 16 bits.long double mot : 32 bits.quad 64 bits.ascii caractère ou chaîne.string chaîne de caractères terminée par 0 valeurs : binaire 0b octal décimal hexadécimal 0x ABCDEF décimal réel 0f e-15 ASCII Première année IUT informatique 17
18 Programmation Assembleur Les instructions
19 Instructions de tranfert : mov mov? Source, Destination Destination et Source : registres, variables, adresses Source : immédiat movw $36, %eax 36 eax..?..36 movl %ebx, %eax ebx 12 eax 12 Première année IUT informatique 19
20 Instructions de tranfert : mov movl (0x8014), %eax 0x8014 0c eax c movw (%ebx), %ax ( ebx ) 1201 eax????0112 movb $5, (%ebx) ebx x12 05?? movw $2, (%ebx) ebx x movl 5(%ebx,%esi,1), %eax ( ebx esi ) 1A 0510e1a2 ) eax a2e11005 Première année IUT informatique 20
21 Instructions de tranfert : XCHG, LEA xchg Source, Destination échange le contenu de Destination et de Source lea Mémoire, Registre Chargement d une adresse effective.data table.fill 9 2 5; neuf 5 sur des mots de 2 octets toto.long 0x1a ; adresse donnee + 18 lea toto, %eax eax Alors que movl toto, %eax, eax a Première année IUT informatique 21
22 Instructions de tranfert : propre au pentium movsx Source Destination, avec MOV la source et la destination sont de même type ici, la source peut être d un type plus petit SX, signe extension, le signe de la source est conservé movsx %al,%ebx al a3 ebx ffffffa3 movzx Source Destination, ZX, zero extension, movzx %al,ebx al a3 ebx a3 Première année IUT informatique 22
23 Programmation Assembleur Instructions arithmétiques
24 L addition add Source, Destination Destination + Source Destination Source : immédiat, registre, mémoire Destination : registre, mémoire opérandes : nombres signés ou non signés flag : OF, SF, ZF, AF, CF, et PF Première année IUT informatique 24
25 L addition (exemple) addl %eax, %ebx eax ebx a9 ebx bc eflags OF SF ZF 0 AF 0 PF 1 CF eax ebx ffffffff ebx eflags OF SF ZF 0 AF 0 PF 1 CF eax ffff1113 +ebx a00000a9 ebx 9fff11bc Première année IUT informatique 25
26 OF SF ZF 0 AF 0 PF 1 CF eax ffff1113 +ebx ffffffff ebx ffff1112 OF SF ZF 0 AF 0 PF 1 CF eax a ebx a9 ebx bc OF SF ZF 0 AF 0 PF 1 CF Première année IUT informatique 26
27 La soustraction sub Source, Destination Destination Source Destination Source : immédiat, registre, mémoire Destination : registre, mémoire opérandes : nombres signés ou non signés flag : OF, SF, ZF, AF, CF, et PF Première année IUT informatique 27
28 Incrémenter - Décrémenter inc dec Destination Destination inc :Destination + 1 Destination dec : Destination 1 Destination Destination : registre, mémoire flag : OF, SF, ZF, AF et PF, par contre CF n est pas modifié Première année IUT informatique 28
29 La multiplication mul Source 2 Operand Size Source 1 Source 2 Destination Byte AL r/m8 AX Word AX r/m16 DX:AX Doubleword EAX r/m32 EDX:EAX Source 1 Source 2 Destination Source 2 : registre, mémoire Source 1 : registre AL, AX, EAX Destination : registre AX, DX:AX, EDX:EAX Première année IUT informatique 29
30 opérandes : non signés flag : OF et CF flags sont mis à 0 si la partie haute du résultat est nulle, sinon ils sont mis à 1. SF, ZF, AF, et PF ne sont pas définis. Première année IUT informatique 30
31 La multiplication signée imul Source 2 Source 2 (reg or mem) AL, AX, or EAX register AX, DX:AX, or EDX:EAX. CF et OF = 0 si le résultat tient dans la partie basse, sinon CF et OF = 1. imul Source Destination Destination (register) Source (register or memory or immédiat) Destination imul Source 1 Source 2 Destination Source 1 (register or memory) Source 2 (immédiat) Destination (register) Immediate value is sign-extended to the length of the destination operand format. Première année IUT informatique 31
32 La division div Diviseur Operand Size Dividende Diviseur Quotient Reste Max Quotient Word/byte AX r/m8 AL AH 255 Doublew/word DX:AX r/m16 AX DX 65, 535 Quadw/doublew EDX:EAX r/m32 EAX EDX Dividende = Diviser Quotient + Reste Première année IUT informatique 32
33 La division (suite) Dividende : AX, DX:AX, EDX:EAX Diviseur: regitre ou mémoire Quotient : AL, AX ou EAX Rest : AH, DX ou EDX The CF, OF, SF, ZF, AF, and PF flags are undefined. Si Quotient trop gros pour AL, AX ou EAX, alors interruption Première année IUT informatique 33
34 La division signée idiv Diviseur Operand Size Dividende Diviseur Quotient Reste Quotient Range Word/byte AX r/m8 AL AH 128 to +127 Doublew/word DX:AX r/m16 AX DX 2 15 to Quadw/doublew EDX:EAX r/m32 EAX EDX 2 31 to Dividende = Diviseur Quotient + Reste Première année IUT informatique 34
35 La division signée (suite) Dividende, Diviseur, Quotient, Reste : comme DIV The CF, OF, SF, ZF, AF, and PF flags are undefined. The sign of the remainder is always the same as the sign of the dividend. absolute value of remainder < absolute value of divisor. Première année IUT informatique 35
36 Extension de signe cbw : cwde : cwd : cdq : extension signée de AL AX extension signée de AX EAX extension signée de AX DX:AX extension signée de EAX EDX/EAX CF, OF, SF, ZF, AF, and PF flags are undefined. Première année IUT informatique 36
37 Autres opérateurs adc Source, Destination Destination + Source + CF Destination sbb Source, Destination Destination (Source + CF ) Destination Source : immédiat, registre, mémoire Destination : registre, mémoire flag : OF, SF, ZF, AF, CF, et PF Première année IUT informatique 37
38 Opérateurs Logiques and Source, Destination Destination AN D Source Destination Destination OR Source Destination or Source, Destination xor Source, Destination Destination XOR Source Destination Première année IUT informatique 38
39 Opérateurs Logiques (suite) The OF and CF flags are cleared; the SF, ZF, and PF flags are set according to the result. The state of the AF flag is undefined. NOT Source : complément à un Première année IUT informatique 39
40 Décalages shl Source, Destination sal Source, Destination CF X Destination 0 CF D estination0 shr Source, Destination sar Source, Destination SHR 0 DestinatioN CF X 0Destinatio CF N SAR DestinatioN CF X DDestinatio CF N Source : CL ou immédiat, au plus 31 Destination, : registre ou mémoire Première année IUT informatique 40
41 Rotations rol Source, Destination ror Source, Destination rcl Source, Destination rcr Source, Destination ROL : CF X Destination CF D estinationd ROR DestinatioN CF X NDestinatio CF N RCL : CF X Destination CF D estinationx RCR DestinatioN CF X XDestinatio CF N Source : CL ou immédiat, au plus 31 Destination, : registre ou mémoire Première année IUT informatique 41
42 Les branchements Programmation Assembleur Jean-Claude Bajard IUT - université Montpellier 2
43 Instructions de préparation CMP Source, Destination Destination, : registre, mémoire Source : registre, mémoire, immédiat effectue Destination - Source : sans affecter Destination flag : OF, SF, ZF, AF, CF, et PF Première année IUT informatique 43
44 Instructions de préparation TEST Source, Destination Destination, : registre, mémoire Source : registre, mémoire, immédiat effectue Destination AND Source : sans affecter Destination flag : OF=0, SF, ZF, AF, CF=0, et PF Première année IUT informatique 44
45 Les Sauts Deux catégories Saut inconditionnel JMP Adresse Saut conditionnel Jcc Adresse cc représente la condition Première année IUT informatique 45
46 Les Sauts (suite) Adresse déplacement relatif à EIP Adresse généralement une étiquette dans le code Jcc ne supporte pas les sauts lointains Exemple: si nous ne pouvons pas faire le saut suivant JZ FARLABEL; alors on le remplace par JNZ BEYOND; JMP FARLABEL; BEYOND: Première année IUT informatique 46
47 Les conditions Instruction Mnemonic Condition (Flag States) Description Unsigned Conditional Jumps JA/JNBE (CF and ZF)=0 Avant/non après ou egal JAE/JNB CF=0 Avant ou égal/non après JB/JNAE CF=1 Après/non avant ou egal JBE/JNA (CF or ZF)=1 Après ou égal/non avant JC CF=1 retenue JE/JZ ZF=1 egal/nul JNC CF=0 pas de retenue JNE/JNZ ZF=0 Non égal/non nul JNP/JPO PF=0 Non pair/parité impaire JP/JPE PF=1 Pair/parité paire JCXZ CX=0 Registre CX est zero JECXZ ECX=0 Registre ECX est zero Première année IUT informatique 47
48 Les conditions (suite) Instruction Mnemonic Condition (Flag States) Description Signed Conditional Jumps JG/JNLE ((SF xor OF) or ZF) =0 Plus grand/no plus petit ou égal JGE/JNL (SF xor OF)=0 Plus grand ou égal/non plus petit JL/JNGE (SF xor OF)=1 Plus petit/non plus grand ou égal JLE/JNG ((SF xor OF) or ZF)=1 Plus petit ou égal/non plus grand JNO OF=0 Non overflow JNS SF=0 Non signe (non-negatif) JO OF=1 Overflow JS SF=1 Signe (negatif) Première année IUT informatique 48
49 Si??? Alors Sinon Exemple suite 1 Si suite 4 A < B Alors Sinon suite 2 suite 3 Traduction suite 1 MOV CMP JNL Alors: suite 2 JMP Sinon: suite 3 Finsi: suite 4 $A,%EAX $B,%EAX Sinon Finsi Première année IUT informatique 49
50 FaireTant que??? Exemple suite 1 Faire Tant que suite 3 suite 2 A B Traduction suite 1 Faire: suite 2 MOV CMP JGE Finftq: suite 3 $A,%EAX $B,%EAX Faire Première année IUT informatique 50
51 Tant que??? Faire Exemple suite 1 Tant que A B Faire suite 2 suite 3 Traduction suite 1 Tantque: MOV $A,%EAX CMP $B,%EAX JNGE Fintq suite 2 JMP Tantque Fintq : suite 3 Première année IUT informatique 51
52 Pour i = n à m Faire Exemple suite 1 Pour i = n à m (pas =t) Faire suite 2 suite 3 Traduction suite 1 MOV $n,%ecx Pour: CMP $m,%ecx JG Finpour suite 2 ADD $t,%ecx JMP Pour Finpour : suite 3 Première année IUT informatique 52
53 Instruction LOOP LOOP Adresse (8bits: -128 à 127) ECX est utilisé comme compteur ECX est décrémenté, puis Si ECX 0 alors saut vers Adresse, Sinon passage à la suite Première année IUT informatique 53
54 Exemple suite 1 Pour i = n à 1 Faire suite 2 suite 3 Traduction suite 1 MOV Pour: suite 2 LOOP Finpour : suite 3 $n,%ecx Pour Première année IUT informatique 54
55 Gestion de la PILE Appel de fonction Première année IUT informatique 55
56 Principe d utilisation de la Pile Place mémoire réservée pour lors de l exécution d un programme (sous linux par défaut 2M o) : pour les variables locales, pour les sauvegardes d environnement ESP pointe à l initialisation sur le premier octet hors de la pile ESP pointe toujours sur le sommet de la zone occupée EBP pour pointer les variables stockées dans la pile Première année IUT informatique 56
57 Exemple Réservation de quatre octets dans la pile movl %esp,%ebp subl $4,%esp movw $4,-4(%ebp) movw $12,-2(%ebp) ESP ESP Première année IUT informatique 57
58 Opérations sur la pile PUSH Source PUSH décrémente ESP de 2 ou de 4 suivant le type de Source Puis met la valeur de Source à l adresse [ESP] mov $0x23,%eax push %eax eax esp esp - 4 mov %eax,(%esp) esp esp Première année IUT informatique 58
59 Opérations sur la pile (suite) POP Source POP met la valeur pointée à l adresse [ESP] dans Source Puis incrémente ESP de 2 ou de 4 suivant le type de Source pop %eax mov (%esp),%eax eax esp esp + 4 ESP ESP Première année IUT informatique 59
60 Appel de fonctions Première année IUT informatique 60
61 Appel d une fonction CALL nomfonction CALL : sauvegarde de l adresse de l instruction suivant le CALL dans la pile traduction : push jmp %eip nomfonction Première année IUT informatique 61
62 Déclaration d une fonction nomfonction: suite ret instructions ret assure le retour en dépilant l addresse de l instruction suivant l appel RET $val traduction : pop %eip add $val, %esp ;(si arguments) Première année IUT informatique 62
63 Retour sécurisé Pour être certain de dépilé l adresse de l instruction suivant le call En début de fonction : push %ebp mov %esp,%ebp En fin de fonction : leave ret traduction de LEAVE : mov pop %ebp, %esp %ebp Première année IUT informatique 63
64 Sauvegarde de l environnement Avant l appel empiler le contenu de tous les registres risquant d être modifiés dans la procédure PUSHAD ;empile : EAX, ECX, EDX, EBX, original ESP, EBP, ESI, and EDI Avant le retour dépiler pour restituer le contenu de tous les registres empilés lors de l appel POPAD Pop EDI, ESI, EBP, EBX, EDX, ECX, and EAX POPAD ; dépile : EDI, ESI, EBP, EBX, EDX, ECX, and EAX Première année IUT informatique 64
65 linux ELF Directives :.globl déclaration pour l édition de lien.type nomfonction,@function déclaration du type Remarque: le corps du programme (main:) peut lui aussi être déclaré comme fonction. même conseillé. C est Première année IUT informatique 65
66 linux ELF Utilitaire: readelf pour lire les différentes informations liées au format ELF: par exemple readelf -s a.out pour lire la table des symboles. Construction de l exécutable: avec gcc gcc toto.s -o toto avec as et ld as toto.s -o toto.o ld -e main toto.o -o toto Première année IUT informatique 66
67 résumé.globl.type main: push mov pushad call popad leave ret main %ebp %esp,%ebp nomfonction.globl.type nomfonction: push mov leave ret nomfonction %ebp %esp,%ebp Première année IUT informatique 67
68 Passage des arguments Principe d utilisation de la pile lors de l appel: empiler les arguments dans l ordre inverse: argn,,arg2,arg1 push argn push arg2 push arg1 faire l appel call nomfonction au retour rétablir le pointeur de pile ret taillearg Première année IUT informatique 68
69 Passage des arguments: suite Principe d utilisation de la pile dans la fonction: sauvegarde du pointeur de pile: push %ebp mov %esp,%ebp reservation de l espace nécessaire pour les variables locales: sub $val,%esp localisation par rapport au registre %ebp: +8(%ebp) pointe sur arg1 (%ebp) pointe %esp d origine -4(%ebp) pointe sur varloc1 leave replace le pointeur de pile sur l appel (%eip suivant) Première année IUT informatique 69
70 Variables Locales Réservation d espace dans la pile pour les variables locales : esp var 2 var 1 esp ebp ebp ebp eip (call) eip (call) arg 2 arg 2 arg 1 sub $8,%esp arg 1 Première année IUT informatique 70
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