Hauptseminarvortrag XASM ein generisches Assemblerframework

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1 Hauptsminarvortrag XASM in gnrischs Assmblrframwork Marco Kaufmann 1 nstitut für chnisch nformatik

2 Glidrung 1. Motivation 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn 3. Opcod Maps 4. Assmblrprogramm 5. Sprachlmnt 6. Aktullr Stand & Ausblick 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 2/35

3 1. Motivation 1. Motivation 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn 3. Opcod Maps 4. Assmblrprogramm 5. Sprachlmnt 6. Aktullr Stand & Ausblick 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 3/35

4 1. Motivation Vil vrschidn Architkturn und Bfhlssätz Zahl stignd, bdingt durch tchnisch Entwicklung Vilzahl klinr Architkturn, di wnigr vrbritt sind Aufwändig, für all inn Assmblr von Grund auf nu zu ntwickln 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 4/35

5 1. Motivation Was bdutt gnrisch? Lösung: in Assmblrframwork, dass sich für vrschidn Architkturn und Bfhlssätz infach anpassn lässt Britstllung von bstimmtn Standardfunktionalitätn Anpassung an individull Bdürfniss Kritrin für in gnrischs Assmblrframwork J wnigr Aufwand für Anpassung an Architkturn rfordrlich, dsto bssr. abi muss das Framwork trotzdm so flxibl sin, dass s sich für möglichst all Architkturn anpassn lässt. 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 5/35

6 1. Motivation GNU Assmblr Ein Opn Sourc Assmblr untr GNU Public Licns Qulltxt kann von jdm modifizirt wrdn Stllt in Framwork brit, in dm dr Programmirr nach Blibn Ändrungn vornhmn und dn Assmblr an ign Bdürfniss anpassn kann. st jdoch nicht flxibl gnug, lässt sich für bstimmt Sachvrhalt nicht odr nur mit rhblichm Aufwand anpassn. Bispil: SHAP 9 Bit Wortbrit im odsgmnt, vrschidn Wortbritn in od und atnsgmnt Jump abl, automatisch Konstantntabll 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 6/35

7 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn 1. Motivation 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn 3. Opcod Maps 4. Assmblrprogramm 5. Sprachlmnt 6. Aktullr Stand & Ausblick 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 7/35

8 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn XASM Vorläufr : odx Assmblr Als BELL im Jahr 2002 (Klass 11/12) ntstandn Motivation: Assmblr, dr slbst nicht modifizirt wrdn muss wnn dr x86 Bfhlssatz rwitrt wird d: Bfhlssatz nicht fst im Assmblr intgrirt, sondrn durch xtrn xtdati (Opcod Map) bschribn. klaration dr Rgistrsätz, Bfhlsmnmonikn und Opcods durch ign, infach Bschribungssprach odx Assmblr kann dis xtdatin slbst übrstzn Erwitrung ds Bfhlssatzs dadurch shr infach und sogar vom Anwndr slbst durchführbar. Assmblr muss dazu nicht modifizirt und nucompilirt wrdn. 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 8/35

9 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn XASM Vorläufr : odx Assmblr Eignschaftn: mplmntirung in FrPascal, Assmblr lif untr OS Konzpt ging auf: Untrstützung allr x86 Bfhlssätz bis Pnitum V und AM 3 Now Ausgabformat: 16 / 32 Bit Flat Modl Binaris, Ral Mod und 16 / 32 Bit Protctd Mod OS Anwndungn ABER: nur bgrnzt Flxibilität! Assmblr nur für x86 ausglgt, nicht für andr Architkturn vrwndbar (z.b. MS8) Architkturspzifisch Mrkmal fst implmntirt (Spichroprandn, Mod R/M -, SB Byt,...) X86-64 brits bnfalls nicht mhr durch Opcod Maps umstzbar, da 64 Bit Oprandn durch zusätzlich Bfhlspräfix codirt. Erwitrung ds Assmblrs slbst quasi unmöglich: kin strng Strukturirung, kin Kapslung War ni als Framwork vorgshn, Bnutzr sollt ldiglich ign Opcod Maps hinzufügn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 9/35

10 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn XASM Opcod Maps bibhaltn! a infachst Art nu Bfhlssätz zu implmntirn. Framwork soll dismal wirklich gnrisch sin ohn größr Problm slbst an xotisch Architkturn anpassbar. Opcod Maps müssn flxiblr gstaltt wrdn. Gnrik durch Opcod Maps allin außrdm nicht ausrichnd Bi Bdarf kann in jdn Arbitsschritt ds Assmblrs inggriffn wrdn Bau ds Bfhlsworts, Adrssbrchnung, Parsn inr Assmblrbfhlszil,... Arbitsschritt und ilaufgabn müssn gkapslt, Mthodn gut dokumntirt sin. Wlch architkturspzifischn Klassn und Mthodn bwirkn was? Wi übrschribn, um nu architkturspzifisch Faturs zu intgrirn? dals Zusammnspil von Opcod Maps und architkturspzifischn Klassn Witstghnd Ralisirung durch Opcod Maps ( alls was ght ) Spzialfäll wrdn durch architkturspzifisch Klassn implmntirt 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 10/35

11 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn mplmntirung mplmntirung in Java Strng objktorintirt Macht s dm Programmirr infach ( Garbag ollctor, Gnrics, kin Pointr), rlichtrt so das Schribn architkturspzifischr Klassn Plattformübrgrifnd; Assmblr läuft auf jdr Plattform mit JRE Opcod Map Parsr mit WSEN implmntirt LALR1 Parsr Gnrator, YA kompatibl, Backnds für Java und ++ Einfachr, als Parsr pr Hand zu schribn. Opcod Map Parsr muss nicht rwitrbar sin. Parsr für Assmblrprogramm slbst implmntirt Parsr muss rwitrbar sin, u.a. architkturspzifisch Assmblrdirktivn, altrnativ Syntax für Bfhlsziln Modularr Aufbau, Kapslung von ilaufgabn Soll nicht nach rstr Fhlrmldung abbrchn, Fhlrbhandlung mit Parsrgnratorn abr schwirig. 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 11/35

12 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn Packags XASM shll assmblr linkr tokns solvr parsr architcturs program opmaps 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 12/35

13 3. Opcod Maps 1. Motivation 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn 3. Opcod Maps 4. Assmblrprogramm 5. Sprachlmnt 6. Aktullr Stand & Ausblick 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 13/35

14 3. Opcod Maps Eignschaftn Bschribung allr Bfhlssatzlmnt: Assmblrbfhl und Bfhlsmnmonic, Opcods, Rgistrsätz, Sgmnttypn, Adrssräum u.a Nicht abr witr Architkturmrkmal und tails: Bfhlswortformat, Bsondrhitn bi dr Adrssbrchnung, architkturspzifisch Assmblrdirktivn tc. Vrrbung und Mhrfachvrrbung von Bfhlssätzn möglich Automatisch gnrirt Bfhlssatzdokumntation in HML 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 14/35

15 3. Opcod Maps Struktur ins Bfhlssatzs Eltrnbfhlssätz Bfhlssatz Adrssräum Sgmnttypn Bfhlsgruppn Bfhlspräfix Eignschaftn Bfhl odirung Bfhlsoprandn Opcod Modifir irktwrttyp Rgistrgrupp Spichroprandngrupp Rgistr Spichroprandn odirung Spichroprandnsyntax odirung 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 15/35

16 3. Opcod Maps Vrrbung - Bispil A A Z80 SHAP 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 16/35

17 3. Opcod Maps Opcod Map Qulltxtdatin architctur dfault public st z80 "Zilog Z80" xtnds 8080 rgistrs group pp "Rgistr pairs and X" bc 0x00; d 0x10; ix 0x20; sp 0x30 public st shap "Shap PU" sgmnts // sgmnt typs group txt "od Sgmnt (yp)" byt 9 word 1 ndian big group rx "ndx Rgistrs" ix iy... mmory group mx "Mmory indxd" [rx+imm8] mm:2... instructions group transfr "ata ransfr" ld,mov d,mx ld,mov mx,s ld,mov mx,imm x pr 0xF pr 0x46 0x70 0x36 group data "ata Sgmnt (yp)" byt 32 word 1 max 64 ndian big spacs // addrss spacs of PU txt txt "od Mmory" data data "ata Mmory" immdiats addimm 10 add "mmdiat to add to th opcod."... 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 17/35

18 3. Opcod Maps Arbitsschritt bim Übrstzn Scannn Vrarbitung von Makros und andrn Präprozssoranwisungn Lifrt oknstrom für Parsr Parsn Syntaktisch Analys Übrführung in intrn Zwischndarstllung Opcod Map Parsr oknstrom Präprozssor Zwischndarstllung Opcod Map Solvr Solvn Sowit möglich, Auflösn von Symboln Zildati schribn (srialisirts nstructionst Objkt) Qulltxt.PU ati 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 18/35

19 3. Opcod Maps Arbitsschritt bim Ladn.cpu cod xor ax,ax... A32 A16 ati lsn Srialisirts nstructionst - Objkt ladn Eltrndatin bnfalls lsn Vrrbung Entlang Vrrbungspfad: Eltrn mit Kindbfhlssatz vrinign Solvn Auflösn bfhlssatzübrgrifndr Symbol 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 19/35

20 4. Assmblrprogramm 1. Motivation 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn 3. Opcod Maps 4. Assmblrprogramm 5. Sprachlmnt 6. Aktullr Stand & Ausblick 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 20/35

21 4. Assmblrprogramm Opcod Maps Extrn Architkturklassn Arbitsschma Linparsr Exprssionparsr Parsr irktivnparsr Zwischndarstllung nstructionsolvr Solvr Exprssionsolvr Ungbundnr Objktcod Linkr MEM Linkr MF Linkr PE Linkr ELF Linkr... oknstrom Präprozssor XASM Qulltxt Zildati(n) 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 21/35

22 4. Assmblrprogramm.cpu c1 qu 3*sizof(myvar).cod.subsct s1.subsct s2 mov ax,myvar cmp ax, jz m1.subsct s2 m1: jmp m1.data myvar dw sizof s2 nstructionsolvr Solvr Exprssionsolvr Arbitsschma: Adrssbrchnung Sgmnt in Rihnfolg dr klaration lösn Subsctions, Prozdurn, Variabln, Anwisungn in Rihnfolg dr klaration lösn Elmnt (Auswahl): Anwisung: Oprandn auflösn, Bfhlswort bstimmn, Adrss aktualisirn. Variabl: mit aktullr Adrss markirn, Größ bstimmn, Adrss aktualisirn. Prozdur odr Subsction: Mit aktullr Adrss markirn, Elmnt aus Prozdur odr Subsction lösn Labl: mit aktullr Adrss markirn 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 22/35

23 4. Assmblrprogramm Adrss wird als Oprand vrwndt, obwohl noch unbstimmt.cpu mov ax,offst m1... m1: Adrssbrchnung Problm Lösung: Ausdrück, di Adrssn nthaltn rst auswrtn und instzn, nachdm Adrssn brchnt Brich im Zilcod wird vorhr ntsprchnd Oprandngröß rsrvirt.h. zusätzlichr Arbitsschritt: nach Auflösn und Adrssbrchnung noch immr unglöst Ausdrück auswrtn und instzn Adrss binflusst sich slbst.absolut 20h buffr rsb offst m1-20h... Lösung: nicht rlaubt! m1: 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 23/35

24 4. Assmblrprogramm Mhrr Bfhl möglich, Bispil: jnz rl8; jnz rl16.cpu jnz m1... Adrssbrchnung Problm Lösung: Abschätzn, wi groß Entfrnung maximal wrdn kann Für all Assmblrbfhl zwischn aktullr und anggbnr Adrss maximal Bfhlswortgröß bstimmn m1: Vrwndung ds Bfhls mit kürzstm Bfhlswort (optimal) Oprandnbrit muss hinrichnd groß sin ABER: Entfrnung von m1 zur aktulln Adrss noch gar nicht bkannt! Entsprchnd maximalr Entfrnung Bfhl auswähln Bssr, als stts Bfhl mit dn britstn Oprandnfldrn zu vrwndn xakt Bstimmung ds optimaln Bfhls wär daggn zu aufwändig 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 24/35

25 4. Assmblrprogramm Witr Aspkt Modifir & Standardvorgabn für Bfhlswortbildung Solvn von Ausdrückn Sgmntadrssn Zum Übrstzungszitpunkt mist unbkannt ompilrdirktivn, z.b..org,.absolue,.algn,... Automatisch odrzugung, z.b. Automatisch gnrirtr Prozdur Ein und Austrittscod Erstzn nicht xistntr Makro - Maschinnbfhl durch Squnz xistirndr Bfhl (bispilswis shr ax, shr ax,1 shr ax,1) Einfach odoptimirung? Bispil: mov ax,0 xor ax,ax 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 25/35

26 4. Assmblrprogramm Eingriff in Arbitsschritt Übrschribn architkturspzifischr Klassn Bispil: Bfhlswortbildung wicht vom Standard dadurch ab, dass jdm Bfhlswort das Byt 0xFF vorangstllt wrdn soll class NwSt xtnds nstructionst public Solvr cratprogsolvr() rturn nw NwSolvr(); class NwSolvr xtnds ProgSolvr public nst cratnst() rturn nw Nwnst(); class Nwnst xtnds nst public int gtnstwordsiz(nstruction i) rturn supr.gtnstwordsiz(i) + config.bytsiz; public od gtnstword() od c nw od(0xff,config.bytsiz); c.add(supr.gtnstword()); rturn c; public void main(string[] args) onsolshll s nw onsolshll ( nw Advancdonsol(),args ); if (s.prpar() s.asm().rgistrarchitctur ( nwarch, nw NwSt( nwarch, fals,null) ); s.run(); architctur nwarch public st myinstructionst... 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 26/35

27 5. Sprachlmnt 1. Motivation 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn 3. Opcod Maps 4. Assmblrprogramm 5. Sprachlmnt 6. Aktullr Stand & Ausblick 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 27/35

28 5. Sprachlmnt Grundlgnds Bfhlszil: Assmblrdirktiv Bfhlspräfix [Assmblrbfhl [Oprand,Oprand]] Labls Lokal, global <Labl>: Variablndklaration Lokal, global nitialisirt, uninitialisirt Stack, normal, absolut <Variabl> dfin db dw dd df dq dt ddq <Variabl> rs rsb rsw rsd rsf rsq rst rsdq Konstantndklaration <Konstant> qu <Ausdruck> 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 28/35

29 5. Sprachlmnt Witr Elmnt Sgmnt und Subsctions Programm kann in vrschidn Sgmnt (Spichrsktionn) und in Sgmnt in vrschidn Subsctions untrtilt wrdn Adrss pro Sgmnt bginnt bi 0, Symbol im ignn Sichtbarkitsbrich Anzahl und Rihnfolg fri wählbar, blibig Sgmnt und Subsctionwchsl möglich Blöck und Prozdurn Prozdurn: Zusammnfassung inr odsqunz, Symbol im ignn Sichtbarkitsbrich Stackvariabln, Paramtr und Procdur Ovrload Automatischr Prozdur Ein- / Austrittscod Blöck: Light - Prozdurn atntypn klaration zusammngstztr, komplxr atntypn möglich Rcords und Arrays Blibig tif vrschachtlbar 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 29/35

30 5. Sprachlmnt Auswahl inigr Assmblrdirktivn.PU Wählt Zil PU aus.arge Wählt Zilformat aus.sarup: Programminsprungpunkt.SEON,.SEGMEN,.OE,.AA Sgmntwchsl odr Sgmnt rzugn.subse,.subsegmen Subsctionwchsl odr Subsction rzugn.absolue,.algn Ausrichtung ds nachfolgndn Elmnts an inr Adrss.ORG: Adrsskorrktur für blibig Sgmnt.ASSUME Stllt Bzihungn zwischn Sgmntn und Adrssräumn hr WARNNGS Einstllung, wann Warnungn rzugt wrdn solln 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 30/35

31 5. Sprachlmnt Präprozssor Präprozssoranwisungn sind vrschachtlbar nclud Fils Einbindn witrr Qulltxtdatin Makros.includ <Filnam>,.rquir <Filnam>,.incpath <Pfad> Ein und mhrzilig Paramtr + Ovrload möglich.macro,.ndmacro, %%<Makro> Bdingts Einbindn Bindt inn il ds Qulltxts in / ignorirt ihn, in Abhängigkit davon ob bstimmt Makros / Umgbungsvariabln gstzt sind Kommntar.ifdf,.ifndf,.ls,.ndif,.df,.undf /*... */, //..., ;... 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 31/35

32 6. Aktullr Stand & Ausblick 1. Motivation 2. Grundgdankn & Entwurfsntschidungn 3. Opcod Maps 4. Assmblrprogramm 5. Sprachlmnt 6. Aktullr Stand & Ausblick 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 32/35

33 6. Aktullr Stand & Ausblick Was funktionirt brits? Übrstzn & Vrwndn von Opcod Maps: frtig Präprozssor: frtig Parsn von Assmblrprogrammn: frtig außr inign Assmblrdirktivn, di spätr hinzugfügt wrdn (.assum,.org,.pushprm,.popprm,.warnings) Solvn von Assmblrprogrammn: zum Großtil implmntirt Brchnn von Ausdrückn, Auflösn von Bzichnrn Adrss- und Größnbrchnung, odirung von Bfhln, Variabln Linkr: Ausgabformat MEM und MF implmntirt Projkt drzit: 71 Java Klassn, ca Ziln Qulltxt, 95 Sitn okumntation 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 33/35

34 6. Aktullr Stand & Ausblick Was ist noch zu tun? Solvr frtigstlln Auswahl ds optimaln Bfhls in Arbit Einig Assmblrdirktivn wrdn noch nicht aufglöst Automatisch odrzugung & odoptimirung (spätr) Witr Opcod Maps und Architkturklassn z.b. x86, MS8 Linkr frtigstlln, zusätzlich gplant Ausgabformat: Flat Modl Binaris PE, OFF, ELF (spätr) 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 34/35

35 Viln ank! 1 nstitut für chnisch nformatik Foli 35/35

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