3 Assembler- und Maschinenbefehle, Programmablauf-Steuerung

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1 3 Assembler- und Maschinenbefehle, Programmablauf-Steuerung In der Vorlesung wurde folgendes Beispiel-Programm in der höheren Programmiersprache C vorgestellt: int x=0; int i= 0; for (i=1;i<=100;i=i+1) x=x+i; Sie sollen in dieser Vorlesung kein C lernen, Sie sollen aber wissen, dass jedes korrekte C-Programm eine main-routine enthalten muss, so dass das formal korrekte Programm wie folgt aussieht: int x=0; int i= 0; int main() { for (i=1;i<=100;i=i+1) x=x+i; } Sie interessiert, was der Übersetzer daraus macht; denn Sie haben gelernt, wie Assembler- und wie maschinennahe Befehle prinzipiell aufgebaut sind. Das sollen Sie anwenden. C-Compiler (z.b. Visual C++) bieten die Möglichkeit, das erzeugte Maschinenprogramm rückwärts in die Assemblerform zu transformieren und anzuzeigen (disassemblierte Form). Das Ergebnis für das Beispielprogramm ist im Folgenden auf das hier Wesentliche reduziert: 9: for (i=1;i<=100;i=i+1) x=x+i; mov dword ptr [_i (004225dc)], jmp main+31h ( ) mov eax,[_i (004225dc)] add eax, C mov [_i (004225dc)],eax cmp dword ptr [_i (004225dc)],64h jg main+4eh ( e) A mov ecx,dword ptr [_x (004225d8)] add ecx,dword ptr [_i (004225dc)] mov dword ptr [_x (004225d8)],ecx C jmp main+24h ( ) 10: 11: } E Das sieht auf den ersten Blick verwirrend aus. Sie erkennen aber die prinzipielle Struktur der Assemblerbefehle, wie sie in der Vorlesung ausführlich vorgestellt wurde. Bis auf jg sind Ihnen alle Operationen bekannt: jg bedeutet jump greater, also hier konkret: jump if i > 64h. eax und ecx bedeuten je den Inhalt der gleichnamigen Prozessor-Register. Man erkennt nun zusätzlich exakt, an welchen Adressen die Befehle und an welchen die Variablen liegen. Das sind Adresswerte als 8stellige Hexa-Zahlen. 1. Wie viele Bits haben die Dualzahlen, die den 8stelligen Hexazahlen gleichwertig sind? 2. Adressen sind vorzeichenlose, ganze Dualzahlen, die immer mit derselben vereinbarten Stellenzahl angegeben werden, das Adressformat: hier entweder als 8stellige Hexazahlen oder als gleichwertige Dualzahlen mit der Anzahl von Bits, die Sie eben errechnet haben. Geben Sie die Anzahl der unterschiedlichen Adressen an, die mit diesem Format möglich sind. (Als Potenz von 2) 1

2 Nun muss man vereinbaren, welche elementare Speichereinheit damit adressiert wird. Schließlich werden die elementaren Speichereinheiten der Reihe nach von 0 aufwärts nummeriert, wobei die ganzzahligen Nummern als Adressen bezeichnet werden. Hier soll die kleinste adressierbare Einheit ein Byte (Speicherwort mit 8Bit) sein. Wie viele KiloByte (= 2 10 Byte) sind mit dem Adressformat adressierbar? (Potenz von 2) Wie viele MegaByte (= ) sind mit dem Adresswort adressierbar? (Potenz von 2) Wie viele GigaByte (= ) sind mit dem Adresswort adressierbar? (Potenz von 2) 3. Sie können und sollen die Anzahl der Bytes bestimmen, die ein Maschinenbefehl hat, der als Assemblerbefehl angegeben ist. Bestimmen Sie z.b. die Anzahl der Bytes des ersten Befehls. Jede Variable, die im Bereich der Datenobjekte des Programms realisiert wird, wird mit dem C-Namen und mit der Adresse des dazu gehörenden Datenobjekts (dahinter in Klammern) angegeben. Damit man den numerischen Wert einer Konstanten, hier 1, von einem numerischen Adresswert, hier dc, unterscheiden kann, kennzeichnet man den Adresswert durch eckige Klammern [ ], was heißt: der numerische Wert ist ein Adresswert, der ein Datenobjekt adressiert, er ist keine Konstante. Welche Wirkung hat der erste Befehl? (Ausformulierter Satz) Der Maschinencode gilt dem Pentium4, der die Operation eines Befehls in 2 Byte verschlüsselt. Welche Funktion haben die restlichen Bytes des ersten Befehls? Sie können das exakt angeben, wenn Sie das Assemblerbefehlsformat aufmerksam analysieren Sie lernen in den einschlägigen Programmiervorlesungen die drei Typen von Schleifen kennen, mit denen kontrollierte Wiederholungen einer Anweisungsfolge (auch Anweisungsblock genannt) ausgeführt werden. Kurze Zusammenfassung: 2

3 Solange Bedingung erfüllt, wiederhole Anweisungsblock: in C heißt diese Schleife while-schleife; bildhaft als Struktogramm: Solange Bedingung erfüllt Anweisungsblock Wiederhole Anweisungsblock, solange Bedingung erfüllt: in C heißt diese Schleife do-while-schleife: bildhaft als Struktogramm: Anweisungsblock Solange Bedingung erfüllt Bei der while-schleife wird zuerst die Bedingung ausgewertet, bei der do-while Schleife wird mindestens einmal der Anweisungsblock durchlaufen, bevor die Bedingung ausgewertet wird. Eine for-schleife ist eine while-schleife, deren Ablauf durch einen Initialisierungsausdruck, durch einen Ausdruck für die Ausführungsbedingung sowie den Anweisungsblock und durch einen Ausdruck zur Steuerung der Wiederholungen festgelegt wird. Das erkennt man am Beispiel for (i=1;i<=100;i=i+1) x=x+i; i=1 i<=100 x=x+i Damit sich Ihnen einprägt, an welcher Stelle der Ausdruck zur Steuerung der Wiederholungen (also i=i+1) ausgeführt wird, sollen Sie das aus dem Beispiel bestimmen. 4. Stellen Sie durch Analyse des Assemblerprogramms fest, ob der Ausdruck zur Steuerung der Wiederholungen vor oder nach dem auszuführenden Block ausgeführt wird. Tragen Sie das Ergebnis in das Struktogramm ein. Was Sie festgestellt haben, gilt allgemein. 9: for (i=1;i<=100;i=i+1) x=x+i; mov dword ptr [_i (004225dc)], jmp main+31h ( ) mov eax,[_i (004225dc)] add eax, C mov [_i (004225dc)],eax cmp dword ptr [_i (004225dc)],64h jg main+4eh ( e) A mov ecx,dword ptr [_x (004225d8)] add ecx,dword ptr [_i (004225dc)] mov dword ptr [_x (004225d8)],ecx C jmp main+24h ( ) 3

4 Im Folgenden wird das Programm ergänzt. Für Sie nicht interpretierbare Einzelheiten sind unterdrückt. 6: int main() 7: { push mov ebp,esp sub esp,40h push push push lea edi,[ebp-40h] C mov ecx,10h mov eax,0cccccccch rep stos dword ptr [edi] 8: 9: for (i=1;i<=100;i=i+1) x=x+i; mov dword ptr [_i (004225dc)], jmp main+31h ( ) mov eax,[_i (004225dc)] add eax, C mov [_i (004225dc)],eax cmp dword ptr [_i (004225dc)],64h jg main+4eh ( e) A mov ecx,dword ptr [_x (004225d8)] add ecx,dword ptr [_i (004225dc)] mov dword ptr [_x (004225d8)],ecx C jmp main+24h ( ) 10: 11: } E pop edi F pop esi pop ebx mov esp,ebp pop ebp ret 5. Mit welchem Adresswert wird das Instruction-Pointer-Register geladen, um dieses Anwenderprogramm zu starten. 6. Ergänzen Sie die Push-Befehle, wobei Sie das Last-in/First-out Prinzip des Stack berücksichtigen. 7. Der Return-Befehl bedeutet den Rücksprung aus dem Anwender-Programm in den Compiler. Was geschieht bei der Ausführung des Return-Befehls? Das setzt voraus, dass der Befehlszeiger (Instruction Pointer) zuvor gerettet wurde. Damit man das an diesem Beispiel genau erkennen kann, werden nun alle relevanten Befehle gezeigt: 4

5 ( ) add esp,0ch C mov dword ptr [mainret],eax F mov edx,dword ptr [mainret] push edx call exit jmp main ( ) A int B int C int D int E int F int 3 1: 2: 3: int x=0; 4: int i= 0; 5: 6: int main() 7: { push mov ebp,esp sub esp,40h push push push lea edi,[ebp-40h] C mov ecx,10h mov eax,0cccccccch rep stos dword ptr [edi] 8: 9: for (i=1;i<=100;i=i+1) x=x+i; mov dword ptr [_i (004225dc)], jmp main+31h ( ) mov eax,[_i (004225dc)] add eax, C mov [_i (004225dc)],eax cmp dword ptr [_i (004225dc)],64h jg main+4eh ( e) A mov ecx,dword ptr [_x (004225d8)] add ecx,dword ptr [_i (004225dc)] mov dword ptr [_x (004225d8)],ecx C jmp main+24h ( ) 10: 11: } E pop edi F pop esi pop ebx mov esp,ebp pop ebp ret Welcher Befehl sorgt für die Rettung des Instruction Pointer, der mit dem Return-Befehl wieder hergestellt wird? (Einkreisen)

6 Ein wenig Vertiefung, um ein offensichtliches Problem zu entschärfen: Der Programmkontext, in dem die disassemblierten Befehle gezeigt werden, ist der des Compilers Visual C++. Das gezeigte Assembler-Programm wird wie ein Unterprogramm des Compilers behandelt. Beim Übersetzen legt der Compiler die Adressen der Maschinenbefehle und Datenobjekte des übersetzten Programms fest. Offensichtlich ordnet der Compiler Adressen zu, die von 0 bis reichen. Damit werden hier Byte adressiert. Wenn die Adressen physikalische Adressen wären, dann ergäbe sich ein riesiger Hauptspeicher, wenn mehrere Programme gleichzeitig geladen wären und ablaufen könnten. Das kann nicht sein. Tatsächlich sind die Adressen in diesem Kontext und allgemein in universellen Computersystemen (PCs, Workstations, usw.) keine physikalischen Adressen. Vielmehr benutzt man die Adressen zunächst einmal, um die Bytes eines Programms untereinander zu unterscheiden, nicht aber, um ihren Speicherort physikalisch festzulegen. Dabei nutzt man folgende Tatsache aus: läuft ein Programm ab, dann ist eigentlich nur der Teil interessant, der gerade durchlaufen wird. Man braucht also nur die aktuellen Programmabschnitte im Hauptspeicher zu speichern. Die nicht aktuellen sind ja ständig auf der Disk bereit zum Laden. Also muss man nur geschickt das Programm einteilen und die aktuellen Teile laden und dann erst den Adressen, die bisher nur dem Zweck der Unterscheidung dienen (=virtuelle Adressen), die endgültigen physikalischen Adressen zuordnen. Soweit nur das Prinzip, um ein offensichtliches Problem bei der Interpretation der Adressen aufzuklären. Später mehr. Eine andere Konsequenz aus der Trennung von virtuellen und physikalischen Adressen: Ein startbares Programm wie Visual C++ oder andere Programme, die gleichzeitig gestartet sein können wie z.b. Word usw., verfügen jedes über einen Adressumfang von 0 bis Man darf aber nun nicht annehmen, dass das virtuelle Adressierungskonzept überall gilt. Für Mikrocontroller gilt weiterhin, dass die Adressierung physikalisch ist, d.h. dass die Adressen nicht nur der Unterscheidung, sondern der Angabe des Speicherorts im Hauptspeicher dienen In der Vorlesung wurde folgendes Programm diskutiert (die Zahlen von 1 bis 100 addieren) mov eax,x weiter: add eax,i inc i cmp i,101 jnz weiter mov x,eax x dw 0 i db 0 Was müssen Sie tun, um den Befehl cmp i,100 verwenden zu können. Was bedeuten diese Maßnahmen für die Anzahl der Schleifendurchläufe?

7 Man kann in ein C-Programm Assemblerbefehlsfolgen einbauen. Im Falle von Visual-C++ ergibt sich für das Beispielprogramm: int x=0; int i= 0; int main() { _asm { mov eax,x weiter: add eax,i inc i cmp i,101 jnz weiter mov x,eax } } Bettet man Assemblercode in Visual-C++ ein, so ist die Definition von Variablen nur auf der Ebene von C möglich. Die Variablen dürfen nicht innerhalb einer Funktion definiert sein, sondern außerhalb, was in C als globale Variable bezeichnet wird. Für das disassemblierte Programm ergibt jmp main ( ) A int B int C int D int E int F int 3 1: int x=0; 2: int i= 0; 3: 4: int main() 5: { push ebp mov ebp,esp sub esp,40h push ebx push esi push edi lea edi,[ebp-40h] C mov ecx,10h mov eax,0cccccccch rep stos dword ptr [edi] 6: 7: _asm{ 8: mov eax,x mov eax,[_x (004225d8)] 9: weiter: add eax,i D add eax,dword ptr [_i (004225dc)] 10: inc i inc dword ptr [_i (004225dc)] 11: cmp i, cmp dword ptr [_i (004225dc)],65h 12: jnz weiter jne weiter ( d) 13: mov x,eax mov [_x (004225d8)],eax 14: } 15: 7

8 16: } pop edi pop esi pop ebx A add esp,40h D cmp ebp,esp F call chkesp (0040b490) mov esp,ebp pop ebp ret Man kann feststellen, dass der Compiler zumindest bei den beiden disassemblierten Programmbeispielen die globalen Variablen und die Befehle ausgehend von den gleichen Anfangsadressen zuordnet (allokiert). Es sei Ihnen überlassen, das durch bestätigende Analyse zu verifizieren. 10. Im Folgenden wird Ihnen ein Speicherauszug vorgelegt (Dump). Er offenbart in hexadezimaler Form den Inhalt der Speicherzellen. Dump: A1 D8 25 Ø% B B E 05 DC 25.Ü% FF B.ÿ DC 25.Ü% B.ƒ A 3D DC 25 =Ü% D B.e EB A3 uë D Ø%B Disassemblierter Code mov eax,[_x (004225d8)] D add eax,dword ptr [_i (004225dc)] inc dword ptr [_i (004225dc)] cmp dword ptr [_i (004225dc)],65h jne weiter ( d) mov [_x (004225d8)],eax Kreisen Sie im Dump die 16Bit-Wörter für den jeweiligen Operationscode der Befehle ein. Mit welchen Zeigerwerten wird das Befehlszeiger-Register (instruction pointer register) der Reihe nach geladen? (auf ersten und letzten Schleifendurchlauf reduzieren, Zeigerwerte ohne konstanten Anteil). Woher weiß die Programmsteuerung nach dem Holen eines Befehls, wo der nächste Befehl beginnt? 8

9 An welchen Stellen kann die Programmsteuerung den Programmablauf unterbrechen, wenn eine entsprechende Anforderung von außen anliegt? Die Programmsteuerung fügt an diesen Stellen automatisch einen Steuervorgang ein, der immer in gleicher Weise abläuft: 1. Abfragen, 2.., 3. am Ende einer Bedienroutine das unterbrochene Programm an der Stelle nach der Unterbrechung fortsetzen. Ergänzen Sie, was in 2. zu geschehen hat. 11. Weitere Auswertung des Dump: Dump: A1 D8 25 Ø% B B E 05 DC 25.Ü% FF B.ÿ DC 25.Ü% B.ƒ A 3D DC 25 =Ü% D B.e EB A3 uë D Ø%B Disassemblierter Code mov eax,[_x (004225d8)] D add eax,dword ptr [_i (004225dc)] inc dword ptr [_i (004225dc)] cmp dword ptr [_i (004225dc)],65h jne weiter ( d) mov [_x (004225d8)],eax Nun sollen die Grenzen der Speicherwörter mit vertikalen Trennstrichen markiert werden. Pentium4 Systeme haben 64Bit lange Speicherwörter und 32Bit lange Adresswörter. Im Folgenden wird Ihnen das Muster eines Adressworts vorgegeben, das Bytes adressiert. Streichen Sie die niederwertigen Adressbits weg, die bei der Adressierung von 64Bit langen Wörtern nicht gebraucht werden und ersetzen sie diese durch 0. xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx Welche Hexa-Ziffern dürfen bei diesen Adressen an der letzten Stelle stehen, wenn diese als Hexazahlen angegeben sind? 9

10 Markieren Sie jetzt die Speicherwörter. Sie haben das prefetch-konzept kennen gelernt. Angenommen, der Befehlspuffer umfasst 4 Speicherwörter. Wie viele Mal müsste die Programmsteuerung nach dem ersten bei jedem Schleifendurchlauf noch zusätzlich zum Hauptspeicher zugreifen, um Befehle zu holen? In der Vorlesung wurde die Bedeutung der Zustandsbits carry und zero erläutert, die immer dann wichtig werden, wenn man den Programmablauf von einer Bedingung abhängig machen will, die auf ein Verarbeitungsergebnis reagieren soll. 12. Angenommen, in i steht der Wert h und folgender Befehl wird ausgeführt: cmp dword ptr [_i (004225dc)],65h. Welche arithmetische Operation verbirgt sich hinter dem compare-befehl? Geben Sie die bitweise Untereinander-Ordnung der beiden niederwertigen Bytes der Operanden an und führen Sie die Operation bitweise aus. Hinweis: wie in der Dezimalrechnung eine analoge Entleihregel anwenden. Sie sollen bewusst auf ein Problem stoßen. Eigentlich können Sie das Ergebnis nicht genau darstellen. Wie viele Stellen müsste das Ergebnis eigentlich haben? Es fehlt eine brauchbare Definition negativer ganzer Zahlen, die es gibt, die die Vorlesung Ihnen aber noch schuldig ist. 13. Angenommen, in i steht der Wert h und cmp dword ptr [_i (004225dc)], 65h wird ausgeführt. Welchen Wert haben danach das Carry- bzw. das Zero-Bit? Im ursprünglichen Programmtext wird als bedingter Verzweigungsbefehl jnz angegeben. In der disassemblierten Form erscheint plötzlich jne, was jump not equal heißt. Ist das ein Fehler? (mit Begründung) 14. In den Pentium4-Prozessoren kann man aus drei (unabhängig voneinander wählbaren) 32Bit- Adressen eine Gesamtadresse bilden. Sie sollen das Ergebnis folgender Addition binär selbst ausführen f1 00 h f1 00 h f1 00 h = 10