10 Commits

Author SHA1 Message Date
8fc6112f58 docs: пояснил по поводу Makefile в README 2024-09-24 12:17:40 +03:00
23b82657d4 docs: внес маленькое пояснение в README 2024-09-24 12:11:54 +03:00
78a4638401 fix: исправлено форматирование вывода 2024-09-24 12:06:11 +03:00
e1aeb3f2df feat: сделан первый прототип решения
Прототип еще не тестировался
2024-09-23 20:45:46 +03:00
ed21dfe07a fix: исправил работу с циклами 2024-09-23 18:49:23 +03:00
6c1198df73 sync: прописал часть логики для 4 пункта 2024-09-22 23:57:16 +03:00
58897fedb7 feat: добавлена процедура pollin 2024-09-22 22:07:18 +03:00
51e220410a feat: добавлено несколько полезных функций для решения 4 пункта 2024-09-22 17:55:49 +03:00
49d3c02d7d feat: task2 создан
Решен второй пункт в виде ассемблерного кода, однако он отформатирован вполне определенным образом
2024-09-22 15:27:21 +03:00
daec968bcb feat(utils): для чуть большего удоства написал Makefile
По факту он просто линкует одиночный файл ассемблерного кода и не подшивает никаких зависимостей. Весьма ситуативная фигня, но немного экономит время
2024-09-22 13:18:59 +03:00
9 changed files with 323 additions and 83 deletions

View File

@ -2,68 +2,3 @@
## Система команд процессора, ее связь с кодами команд
## Кодирование команд для x86-64 архитектуры
Преподаватель на ресурсном курсе оставил огромный талмуд Intel (далее именуемый "талмудик" и "талмуд") на тему того, как кодируются команды у их процессоров. И пусть даже наш дорогой препод на лекции дал пояснения по конверсии и прочему, он оставил без ответа вопросы следующего толка: когда какие байты задействованы, где посмотреть опкоды команд и прочие мелочи жизни. Я тот еще программист, поэтому на меня тут не надейтесь, но помогу чем смогу
Перво-наперво структура команды. Приведена она и у препода и в талмудике Intel, повторяться не хочу, но картинку оставлю
![Структура команд](../assets/command_structure.png)
На этой же картинке видно, что может быть от разное количество байт на КОП (который я по привычке именую опкодом), на Displacement, на Immediate и прочем. Да и еще проскакивают надписи `(if required)` и `(optional)`. Вопрос назревает сам собой - а где смотреть-то. И ответ у меня к сожалению не утешительный - в том самом великом и ужасном талмудике (по крайней мере я не нашел другого способа понадежнее). Но тут есть одна так сказать проблемка... Таблички по командам от Intel выглядят мягко скажем как-то так...
![Пример таблицы опкода](../assets/opcode_table_example.png)
Хтонь лично на мой взгляд довольно неприятная, но на самом деле она не так страшна, как вы подумали... Она значительно хуже...
В общем я тут приведу свои пояснения ко всему, что указывают сами Intel, но не в сухую по руководству, а на основе собственного опыта ручного ассемблирования (который, к слову, не очень богат, потому что я еще не успел настолько сойти с ума, чтобы делать работу ассемблера за него)
- `REX.W` - По идее этот префикс может означать много вещей, но на практике пока что я сталкивался с ним только в таком разрезе: если он есть в начале, значит в REX-байте нужно поставить единичку в 3 разряде (4-я цифра справа). Также это означает, что данный байт, вообще говоря, обязателен для функционирования этой команды
- `REX` - Такое встречается, на моей памяти, только рядом с восьмибитными инструкциями и всегда только для того, чтобы к ним тут же приложилось пояснение от intel, что какие-то там проблемы. В общем читайте все это в сносках, потому что сам по себе флаг означает простое наличие REX-байта перед опкодом по всей видимости
- `/digit` - можно порой встретить что-то типа `/0` или `/7`. Когда такое видите, это значит, что в ModR/M байте вместо поля reg нужно записать в двоичной системе то число, которое после слеша. То есть от `000` и до `111`. А все остальное адресуете как раньше
- `/r` - указывает на то, что в ModR/M байте все поля Mod, Reg и R/M используются в стандартном варианте
- `cb`, `cw`, `cd`, `cp`, `co`, `ct` - сам плохо понимаю, что это за покемоны такие. В 64-битных опкодах встречаются редко. Согласно мануалу показывают, сколько битов после опкода следует зарезервировать под смещение для сегмента кода (если вы откроете методичку Милицина, то это тот самый CS или Code Segment). Также согласно талмудику иногда оно может изменить значение сегментному регистру кода. Возможны варианты 1 байт, 2 байта, 4 байта, 6 байт, 8 байт, 10 байт соотвественно.
- `ib`, `iw`, `id`, `io` - Показывают, что после опкода, ModR/M байта (если есть) должен идти непосредственный операнд длиной 1, 2, 4, 8 байт соответственно. Встречается он в таблице обычно там же, где в колонке instruction в соответствующем месте производятся какие-то действия с непосредственными операндами. При чем надо понимать, что нельзя просто опустить байты, которые заполнены нулями, даже если очень хочется и мама разрешила. ставим столько, сколько требует спецификация
- `+rb`, `+rw`, `+rd`, `+ro` - встречается тогда, когда создатели процессора почему-то решили засунуть регистр прям в опкод операнда. Ну, не нам их за это судить. Фактически нам нужно просто глянуть в таблицу которая приведена самими Intel, чтобы определиться только с тем, какое число от 0 до 7 прибавлять. В целом это число является номером регистра, а идут они всегда в следующем порядке: rax, rcx, rdx, rbx, rsp, rbp, rsi, rdi, а также дополнительные регистры r8-r15 работают в том же режиме, то есть начинают нумероваться с нуля. Единственное отличие - бит в REX байте нужно поставить. А вообще табличка должен сказать весьма любопытная, поэтому с ней придется ознакомиться самому. Находится она на 45 странице руководства.
- `+i` - используется в операциях с плавающей точкой. Такие операции любят использовать стек сопроцессора (потому что на самом деле вся арифметика с плавающей точкой аппаратно ускоряется и у нее тоже есть собственная память). Так вот, такой стек обозначается ST(i). Где ST(0) - вершина стека. Не берусь утверждать, но по всей видимости в стеке всего 8 ячеек, потому что по мануалу i может принимать значения от 0 до 7. Соотвественно наша задача просто прибавить это число к байту слева от плюса и на этом все. Больше ничего не требуется
## Как собрать ~~своего покемона~~ свою команду из ассемблера
*оно же: "Да как этой б\*\*\*ской таблицей пользоаться вообще*
![Структура команд](../assets/command_structure.png)
Повторно привожу это изображение, так как оно нам еще понадобится
Самое важное чиселко, которое тут есть - 16-ричное породы "понятно-написанное". Оно - фундамент всего опкода, его мы и берем. А дальше алгоритм следующий:
1. Смотрим, колонку instruction. В ней ищем глазами базу и венец - понятно написанный опкод (это будет скорее всего от двух и до шести 16-ричных цифр). Дальше смотрим, надо ли к нему непосредственно что-то прибавать, и если надо - прибавляем. Ура - мы получили opcode.
2. Как только мы получили опкод, начинаем смотреть налево - если есть приписка REX.W, значит пишем REX байт. Пока что просто ставим заглушку: 0b01001000 или 0x48. Он нам потребуется если мы захотим адресоваться к регистрам с r8 по r15, а до тех пор он будет в заглушечном состоянии
3. Далее присматриваемся, надо ли что-то прорезервировать (те самые `cb`) и если непосредственно после опкода ничего не требуется начинаем писать ModR/M байтx
4. Написание ModR/M байта пожалуй самый запутанный процесс, но с ним нам должна помочь табличка от Intel. Находятся они в районе 32-34 страниц. Но расскажу так. Поля у ModR/M следующие - 2 битовый mod, потом 3 битный reg, потом 3 битный r/m.
1. mod - указывает на то, как будет адресоваться r/m (третье поле). r/m - сокращение от register/memory. То есть как можно из названия догадаться, только в этом поле процессор может адресовать память компьютера. Это же и есть фундаментальная причина, по которой нельзя заассемблировать команду вроде `mov [addr1], [addr2]`. Возможное содержимое этого поля такого: `00` - Будет адресоваться оперативная память, при чем использоваться будут только регистры (`mov rax, [rdi + rsi*4]`). `01` - будет адресоваться оперативная память и помимо регистра будет еще и смещение, но длиной не больше 1 байта (`add [rbp + rcx - 2], rax`). `10` - то же, что и `01`, но смещение уже занимает 4 байта. `11` - адресоваться будут 2 регистра (`xor rax, rbx`). Если мы поставили что угодно кроме `11` - это надо запомнить, потому что число которое мы записали нужно будет включить в двоичный вид команды использовав взятое нами число байт, а разместить их надо будет либо после ModR/M, либо после SIB байта, если последний будет.
2. reg - указывает регистр, если в колонке opcode не стоит что-то из разряда `/4`. Если стоит, то в reg записывается это число в двоичной форме. Все неиспользованные разряды заполняются нулями. Если длина регистра не вмещается, то самую старшую единицу можно поставить в REX.R
3. R/M - указывает регистр или участок в памяти, который будет адрессоваться. Можем писать сюда номер любого регистра (если не влезет, то расширять его при помощи X бита в REX байте). Однако особенностью тут обладает значение `100`, потому что оно показывает процессору, что нужен SIB байт. При любом другом значении адрес (если mod != 0b11) будет взят из регистра и если есть смещение, оно будет добавлено к значению этого адреса. Единственное, что если mod взят 0b00, то значение 101 тоже магическое - оно затребует 32-битное смещение и использует его в качестве адреса (это точно сработает в 32 битном режиме, но не уверен, что сработает в 64 битах)
5. Если вы взяли такую комбинацию, что вам понадобился SIB байт (а это mod != 11, r/m == 100), то разберемся со структурой байта. Весь этот байт завязан исключительно на адресацию в памяти и состоит из трех побей Scale (SS) в 2 бита, index в 3 бита, base и 3 бита. для разбора полей возьмем следующий пример `[rbx + rcx * 4 + 3]`
1. SS - это scale - это то, на что будет умножаться регистр индекса, при чем это двухбитовое число можно считать степенью двойки. То есть получается 2^(SS) - это коэфициент на который мы умножаем и можем получается умножить на 1, 2, 4 и 8.
2. index - это регистр, который будет умножаться на 2^(SS). Если вы хотите вписать регистры с r8-r15, то невлезающую единицу можно записать в REX.X. В целом же связка SS и index и обеспечивает наличие в адресе в нашем примере `rcx * 4`
3. base - указывает на регистр, значение которого в лоб прибавится к адресу, то есть в нашем примере он отвечает за `rbx`. Если базовый регистр не нужен, на его место ставится `101`
6. После SIB идет displacement байты (1 или 4 в зависимости от поля mod в ModR/M). Заполняем их согласно выделенному количеству
7. После dispacement идет immediate байты - они могут встретиться если в табличке в колонке opcode на этой строке есть что-то похожее на `ib` или другие, которые мы упоминали. заполняем сколько надо
NOTE: По какой-то причине это не указано в руководстве Intel, но по крайней мере если верить сайту, который я использовал для ассемблирования инструкций, то нужно обязательно учитыать префиксы к опкоду прежде чем начинать кодировать (опять же все по опыту):
1. `0x67` - ставится если команда **адресуется** при помощи 32-битных регистров
2. `0x66` - ставится, если программа иссользует хотя бы 1 16-битный регистр
Благо для 8-битных операций другие опкоды и хотя бы на них не надо префиксы запоминать)
<!--- Пока что я думаю эта инфа лишняя, может потом верну и раскомментирую
### Чутка про префикс REX
Судя по всему, префикс REX стал почти обязателен при переходе на 64 разряда. Что ж, это не удивительно, так как в 64-разрядных системах прибавилось регистров, а их номера нужно где-то и как-то хранить, поэтому это вот такой вот "костылик". На самом деле в талмудике преведены схемы всех подключений, которые я пока не привожу, потому что это не самое главное, но может потом добавлю
Вот что они пишут про префик REX во второй главе своего талмуда: "Префикс REX указывается не всегда в 64-разрядном режиме. Он необходим только тогда, когда инструкция адресуется к одному из рассширенных регистров или использует 64-разрядные операнды". То есть условно говоря если работам с 64 разрядами, то RAX нужен, а если нет - его может и не быть, если явно не сказано иное. Сами же REX - это 16 опкодов, которые берут пространство от 0x40 до 0x4F. В режиме режиме обратной совместимости и IA-32 отражают опкоды реальных инструкций, но нас естественно интересует режим 64 разрядов, а в нем они как отдельная инструкция не трактуются и идут только в связке. Также почему-то интел сокрушаются, что из-за этого однобайтовый опкод для инкреммента и декремента перестал существовать в 64 разрядных системах
-->

View File

@ -1,18 +0,0 @@
#!/usr/bin/python3
import argparse
def hex2bin(hexNum: str) -> None:
return bin(int(hexNum, 16))
parser = argparse.ArgumentParser(description="convert hex number to bin right in terminal")
parser.add_argument('-s', '--stdin', action='store_true', help="if passed takes input from terminal arguments")
parser.add_argument('number', nargs='?')
args = parser.parse_args()
if args.stdin:
print(hex2bin(input()))
elif args.number:
print(hex2bin(args.number))
else:
print("something went wrong")

13
03-asm-bios/Makefile Normal file
View File

@ -0,0 +1,13 @@
ASM = nasm
ASM_FLAGS = -felf64 -g
LINK = ld
%: %.o
$(LINK) -o $@ $^
%.o: %.asm
$(ASM) $(ASM_FLAGS) $^ -o $@
clean:
rm -f *.o
rm -f $(subst .asm, $(empty), $(wildcard *.asm))

View File

@ -2,3 +2,13 @@
## Ассемблер и функции BIOS
В этой работе намного проще посмотреть непосредственно решения и почитать комментарии к коду, чем читать теоретическое приложение к работе. Если вам все же что-то не понятно - кидайте в issues
Впрочем зная, что основная масса народу не будет делать эту лабу так, как сделал ее я, сюда вряд ли кто-то заглянет)
### Касаемо Makefile
Для того чтобы не писать много команд для однотипной и монотонной сборки проекта, был написан простой Makefile. Однако работает он следующим образом: он принимает название цели сборки и ищет файл с именем цели и расширением .asm. Если не находит - не собирает цель.
Важно заметить, что он не умеет линковать другие файлы в ассемблер, потому что написан был не для этого. Он просто берет голый файл на NASM (обязательно) и выдает 64-битный ELF из этого единственного файла. Если вам необходимо что-то прилинковать к ассемблеру, то увы, придется собирать проект вручную или менять этот makefile

81
03-asm-bios/task2.asm Normal file
View File

@ -0,0 +1,81 @@
global _start
%define STDIN 0
%define STDOUT 1
%define STDERR 2
section .data
src db 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0
src_size equ $-src
; резервируем 1 килобайт для буффера ввода и вывода
; также в отдельной переменной сохраняем размер этого буфера
print_buf: times 1024 db 0
buf_size equ $-print_buf
section .text
%macro DIGIT_TO_ASCII 1 ; макрос, принимающий один регистр
add %1, '0'
%endmacro
%macro PUSH_M 1-* ; push many; пушит в порядке следования
%rep %0
push %1
%rotate 1
%endrep
%endmacro
%macro POP_M 1-* ; pop many. читает в порядке следования
%rep %0
pop %1
%rotate 1
%endrep
%endmacro
%macro RPOP_M 1-* ; pop many. читает в обратном порядке
%rotate -1
%rep %0
pop %1
%rotate -1
%endrep
%endmacro
; Передачу аргументов будем делать при помощи ABI - стандартная практика для linux
; Аргументы передаются в следующем порядке: rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9. Все, что не влезло, пушится в стек
; У передачи через стек тоже есть особенности, но их мы пока касаться не будем
print_from_buf: ; word -> void
PUSH_M rax, rsi, rdx, rdi ; сохраним регистры, которые точно попортим
mov rdx, rdi ; сколько выводить, в rdi содержится единственный аргумент
mov rsi, print_buf ; откуда выводить. Адрес буфера
mov rdi, STDOUT; куда выводить. Дескриптор файла. В нашем случае стандартного вывода
mov rax, 1
syscall
RPOP_M rax, rsi, rdx, rdi ; вернем значения регистров
ret
_start:
mov rcx, src_size
mov rsi, src
mov rdi, print_buf
xor rax, rax ; обнуляем регистр
.transfer: ; в цикле передаем данные, попутно конвертируя их в ascii
lodsb
DIGIT_TO_ASCII rax
stosb
loop .transfer
mov [rdi + 1], BYTE `\n` ; Чтобы система не ругалась на отсутствие переноса
mov rdi, src_size
call print_from_buf
exit:
mov rax, 60
mov rdi, 0
syscall

219
03-asm-bios/task4.asm Normal file
View File

@ -0,0 +1,219 @@
global _start
%define STDIN 0
%define STDOUT 1
%define STDERR 2
section .data
; резервируем 1 килобайт для буффера ввода и вывода
; также в отдельной переменной сохраняем размер этого буфера
print_buf: times 1024 db 0
buf_size equ $-print_buf
input_buf: times 1024 db 0 ; буфер, в который будут читаться символы со стандартного ввода
input_size equ $-input_buf
array: times 512 dq 0 ; молимся, чтобы никому не пришло в голову писать так много
arr_size equ $-array
; Для poll
%define POLLIN 0x001 ; Есть ли что почитать с буфера ввода. Понадобится для продолжения ввода
input_pollfd: dd STDIN
dw POLLIN
revents: dw 0 ; возвращаемые события
section .text
%macro DIGIT_TO_ASCII 1 ; макрос, принимающий один аргумент (регистр или память)
add %1, '0'
%endmacro
%macro ASCII_TO_DIGIT 1 ; макрос, принимающий один аргумент (регистр или память)
sub %1, '0'
%endmacro
%macro PUSH_M 1-* ; push many; пушит в порядке следования
%rep %0
push %1
%rotate 1
%endrep
%endmacro
%macro POP_M 1-* ; pop many. читает в порядке следования
%rep %0
pop %1
%rotate 1
%endrep
%endmacro
%macro RPOP_M 1-* ; pop many. читает в обратном порядке
%rotate -1
%rep %0
pop %1
%rotate -1
%endrep
%endmacro
%macro PUSHR8 1; закинуть восьмибитный регистр в стек
dec rsp
mov [rsp], %1
%endmacro
; Передачу аргументов будем делать при помощи ABI - стандартная практика для linux
; Аргументы передаются в следующем порядке: rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9. Все, что не влезло, пушится в стек
; У передачи через стек тоже есть особенности, но их мы пока касаться не будем
clean_print_buf: ; none -> void
PUSH_M rax, rcx, rdi
mov rcx, buf_size
mov rdi, print_buf
xor rax, rax ; будем заносить нули во всю память
rep stosb
RPOP_M rax, rcx, rdi
ret
print_from_buf: ; qword -> void; пытается вывести данные из буфера. аргумент не может быть больше 1024
PUSH_M rax, rsi, rdx, rdi ; сохраним регистры, которые точно попортим
mov rdx, rdi ; сколько выводить, в rdi содержится единственный аргумент
mov rsi, print_buf ; откуда выводить. Адрес буфера
mov rdi, STDOUT; куда выводить. Дескриптор файла. В нашем случае стандартного вывода
mov rax, 1
push rcx
syscall
pop rcx
RPOP_M rax, rsi, rdx, rdi ; вернем значения регистров
ret
read_to_buf: ; none -> void. Пытается заполнить буфер из стандартного ввода
PUSH_M rdi, rsi, rdx
mov rdi, STDIN ; откуда читать (дескриптор файла)
mov rsi, input_buf ; куда читать
mov rdx, input_size ; Сколько пытаемся читать
mov rax, 0 ; системный вызов чтения
syscall
RPOP_M rdi, rsi, rdx ; rax содержит количество прочитанных байт, а это важно
ret
poll_stdin:
PUSH_M rdi, rsi, rdx
mov rsi, 1 ; следим только за одним потоком
mov rax, 7 ; poll syscall
mov rdi, input_pollfd
mov rsi, 1 ; одна структура данных (изначально просто вызов принимает кучу таких)
mov rdx, 0 ; не ждать
syscall
RPOP_M rdi, rsi, rdx
ret
print_number: ; qword (rdi) -> void
; наша задача - сформировать массив символов.
; Ну а раз мы не знаем точно сколько их будет, формировать его будем прямо в стеке. нам повезло, что он растет вниз
; Нам очень повезло, что он растет вниз
; создадим 2 локальные переменные - одну для размера массива, другую для делителя
push rbp
PUSH_M rdx, rdi, rsi ; сохранять регистры обязательно надо до того, как писать в стек символы
; создаем базу для адресации. Тогда первая будет на rbp - 8 - делитель, а вторая на rbp - 16 - количество
mov rbp, rsp
; [WARNING] тут надо будет сохранить регистры
push rsp ; сохраню, потому что после всей вакханалии я концов не сыщу
sub rsp, 16 ; выделяем место под 3 переменные
mov qword [rbp - 16], 10 ; пусть и жирно, но операнд обязан быть 64 разрядным для корректного деления
mov qword [rbp - 24], 0 ; счетчик
mov rax, rdi
push byte 0 ; при выводе он ориентируется на это как на конец строки
.division_loop:
xor rdx, rdx ; обнулим найденый остаток. (он просто еще и при делении принимает участие)
div qword [rbp - 16]
DIGIT_TO_ASCII dl
PUSHR8 dl ; поскольку в процессор не завезли возможность закинуть в стек 8 битный регистр, я им немного помог макросами
inc qword [rbp - 24] ; увеличиваем счетчик на единицу
test rax, rax ; делает and поразрядное с самим собой. Меня интересует, лежит ли в rax ноль
jnz .division_loop ; если в rax не ноль, то продолжаем цикл
; выводим число
mov rax, 1
mov rdi, STDOUT
mov rsi, rsp
mov rdx, [rbp-24] ; уже не надо очищать, потому что в конце я просто восстановлю как было
push rcx
syscall
pop rcx
mov rsp, [rbp - 8]
RPOP_M rdx, rdi, rsi
pop rbp
ret
_start:
mov rbp, rsp
; Создадим 2 локальные переменные для аккумулятора размером 8 байт и для математических нужд 8 байт.
; аккумулятор будет по адресу rbp - 8, а временная по rbp - 16
sub rsp, 16
; потом я не удержался и завел еще одну переменную - сколько мы успели написать в массив
sub rsp, 2 ; массив все равно размером всего 512, делать переменную больше нет смысла. rbp - 18
mov rsi, input_buf
mov rdi, array
.read_loop:
call read_to_buf ; системный вызов read вернет количество прочитаных байтов
mov rcx, rax ; сколько байтов прочиталось, столько и обработаем
; обработаем информацию
xor rax, rax ; обнулим на всякий пожарный
jmp .read_byte
.separator_occured:
dec rcx
mov rax, [rbp - 8]
stosq
xor rax, rax
inc word [rbp - 18]
mov qword [rbp - 8], 0
test rcx, rcx
jz .check_buf
.read_byte: ; цикл чтения
lodsb
; проверим, цифра ли это. Если нет, то записываем в память то, что хранилось в локальной переменной
cmp al, '0'
jl .separator_occured
cmp al, '9'
jg .separator_occured
ASCII_TO_DIGIT al ; Если цифра, то конвертируем ее из ascii
; Поскольку умножение и деление можно сделать только через регистр, придется извратиться
PUSH_M rax, rdx
mov rax, [rbp - 8]
mov qword [rbp - 16], 10
mul qword [rbp - 16]
mov [rbp - 8], rax
RPOP_M rax, rdx
add [rbp - 8], rax ; результат деления запишем в локальную переменную
loop .read_byte ; читаем буфер ввода до конца
.check_buf:
call poll_stdin
test dword [revents], POLLIN
jnz .read_loop
; Теперь выведем прочитанный массив на экран
xor rcx, rcx
mov cx, [rbp - 18]
mov rsi, array
call clean_print_buf
.output_loop:
lodsq
mov rdi, rax
call print_number
mov byte [print_buf], ' '
mov rdi, 1
call print_from_buf ; печатаем ровно 1 пробел
loop .output_loop
mov byte [print_buf], `\n`
mov rdi, 1
call print_from_buf
exit:
mov rax, 60
mov rdi, 0
syscall

Binary file not shown.

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 9.5 KiB

Binary file not shown.

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 16 KiB

Binary file not shown.

Before

Width:  |  Height:  |  Size: 142 KiB