Aufgaben zur IA32-Assembler-Programmierung

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1 Aufgaben zur IA32-Assembler-Programmierung Prof. Dr. Ralf Möller AG Technische Informatik Technische Fakultät Universität Bielefeld Version 1.15 vom 17. Februar 2011, SS 2011

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3 SS 2011: Insgesamt müssen 100 Punkte erreicht werden. Die Aufgaben sind von jedem Studenten einzeln zu bearbeiten; Betrugsversuche werden geahndet. Es ist nicht gestattet, Assembler-Programme aus compilierten hochsprachlichen Programmen zu erstellen. Aufgabe: (10 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm add64.asm, welches zwei ganze Zahlen mit jeweils 64 Bit Breite addiert. Der höherwertige Teil der ersten Zahl soll im Register eax, der niederwertige in ebx stehen, die zweite Zahl entsprechend in ecx und edx, das Ergebnis in eax und ebx. Arbeiten Sie das Programm im Debugger gdb schrittweise ab und notieren Sie nach jeder arithmetischen Operation den Zustand der beteiligten Register und des erweiterten Flag-Registers eflags (es muss keine Ausgabefunktion implementiert werden). Erklären Sie die Flagstellungen. Hinweis: Alle Statusflags stehen in den unteren 16 Bit des eflags Registers: OF SF ZF AF PF CF Verwenden Sie folgende Beispiele als Summanden: eax ebx ecx edx 0x x x x x x x xdddddddd 0x x x xddddddde 0x x x xeeeeeeee 0x x xeeeeeeee 0xeeeeeeee Aufgabe: (30 Punkte) Ergänzen Sie das obige Programm add64.asm, so dass die Werte der 4 beteiligten Universalregister und die Statusflags mittels Aufruf zweier Unterprogramme an beliebiger Stelle im Programm ausgegeben werden können. Verwenden Sie bei der Ausgabe der Statusflags jeweils kleine Buchstaben für nicht gesetzte und große Buchstaben für gesetzte Flags. Wiederholen Sie damit Ihre Versuche aus der vorherigen Aufgabe und überprüfen Sie die Resultate. Beachten Sie, dass Operationen, die für die Ausgabe verwendet werden, die Statusflags beeinflussen können (die Stack-Befehle für das erweiterte Flag-Register heißen pushf und popf). Beachten Sie weiterhin, dass es keine bedingten Sprungbefehle gibt, welche das Auxiliary Carry Flag (AF) abfragen (Hinweis: Der Befehl lahf überführt die Statusflags in das Register ah. Mit bt ax, 12 kann das AF-Flag in das Carry-Flag kopiert werden.) Sie müssen davon ausgehen, dass sich die Flags vorher in einem undefinierten Zustand befinden. Beispiel: add ffffffff oszapc ffffffff oszapc ffffffff oszapc Aufgabe: (40 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm sgrep.asm (mit ähnlicher Funktion wie das Unix-Kommando grep), welches in der Standardeingabe nach einer Zeichenkette sucht, die als Kommandozeilenargument angegeben wurde. Wird die Zeichenkette in einer Zeile (Zeilenabschluss 0x0a) gefunden, so wird die gesamte Zeile auf der Standardausgabe ausgegeben. Aufgabe: (40 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm colsel.asm, welches die Standardeingabe durchmustert und nur eine Spalte des Eingabedatenstroms auf der Standardausgabe ausgibt. Die Nummer der Spalte (beginnend mit 1) wird als Kommandozeilenargument angegeben. Spalten werden von Tabulatoren (0x09) getrennt, wobei auch mehrere Tabulatoren hintereinander auftreten können. Zeilen enden mit 0x0a. Aufgabe: (40 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm convert10to16.asm welches eine vorzeichenlose Dezimalzahl in eine Hexadezimalzahl (32 bit) umwandelt. Die Dezimalzahl wird als Kommandozeilen- Argument übergeben, nochmals im Original ausgegeben, umgewandelt und als Hexadezimalzahl (mit führenden 1

4 Nullen) auf der Standardausgabe ausgegeben. Das Programm soll eine Fehlermeldung ausgeben, wenn ein inkorrektes Zeichen eingegeben wurde oder der Wertebereich von 32 bit überschritten wird. Beispiel: convert10to decimal number = hexadecimal number = 0x convert10to decimal number = hexadecimal number = 0xffffffff convert10to decimal number = invalid decimal number convert10to16 12x45 decimal number = 12x45 invalid decimal number Aufgabe: (30 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm convert16to10.asm, welches eine vorzeichenlose Hexadezimalzahl (max. 8 Stellen) in eine Dezimalzahl umwandelt. Die Hexadezimalzahl wird als Kommandozeilen-Argument übergeben, nochmals im Original ausgegeben, umgewandelt und als Dezimalzahl (ohne führende Nullen) auf der Standardausgabe ausgegeben. Das Programm soll eine Fehlermeldung ausgeben, wenn ein inkorrektes Zeichen oder mehr als 8 Stellen eingegeben wurden. Beispiel: convert16to10 3e8 hexadecimal number = 0x3e8 decimal number = 1000 convert16to10 3g8 hexadecimal number = 0x3g8 invalid hexadecimal number Aufgabe: (40 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm wortzaehl.asm, welches die Anzahl der Zeilen, der Worte und der Zeichen in einer Text-Datei zählt und diese Angaben auf der Standardausgabe ausgibt (eine einfache Variante des Unix-Befehls wc, der auch zum Vergleich herangezogen werden sollte). Worte werden von Leerzeichen (0x20), Tabulatoren (0x09) oder Zeilenumbrüchen (0x0a) getrennt, wobei auch mehrere dieser Zeichen hintereinander auftreten können. Der Name der Text-Datei soll als Kommandozeilen-Argument übergeben werden, die Ausgabe der drei Zahlen im Dezimalsystem erfolgt auf der Standardausgabe. Für die Ausgabe wird ähnlicher Code wie in der Aufgabe convert16to10.asm nötig sein (es wird deswegen auch nur eine Aufgabe von beiden gewertet). Aufgabe: (50 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm arabic2roman, welches arabische in römische Zahlen verwandelt und diese ausgibt. Das folgende C-Programm realisiert das gewünschte Verhalten (aus Herold / Arndt: C-Programmierung unter Linux): #include <stdio.h> #include <stdlib.h> void block_ausgabe(long int wert, char einer, char fuenfer, char zehner) { long int i; if (wert == 9) printf("cc", einer, zehner); else if (wert > 4) { printf("c", fuenfer); for (i = wert; i >= 6; i--) printf("c", einer); else if (wert == 4) printf("cc", einer, fuenfer); else for (i = wert; i >= 1; i--) printf("c", einer); 2

5 int main(int argc, char *argv[]) { long int i, zahl; if (argc!= 2) { fprintf(stderr, "arabic2roman <positive Zahl>\n"); return -1; zahl = atol(argv[1]); /* keine Ausgabe fuer 0 oder negative Zahlen */ if (zahl <= 0) return 0; /* Ausgabe Tausender (M) */ for (i = 1; i <= zahl/1000; i++) printf("m"); /* Ausgabe Zahlenbereich , C=100, D=500, M=1000 */ zahl = zahl 1000; block_ausgabe(zahl/100, C, D, M ); /* Ausgabe Zahlenbereich , X=10, L=50, C=100 */ zahl = zahl 100; block_ausgabe(zahl/10, X, L, C ); /* Ausgabe Zahlenbereich 1..9, I=1, V=5, X=10 */ zahl = zahl 10; block_ausgabe(zahl, I, V, X ); printf("\n"); return 0; C-Eigenheiten: Der Operator ist die Modulo-Operation, der Operator / ist in diesem Fall eine ganzzahlige Division. Die Funktion printf() realisiert eine Ausgabe auf der Konsole. Das Ausgabeformat c gibt das ASCII-Zeichen einer Zahl aus. Die Funktion main() wird beim Start des Programms aufgerufen. Ihr werden die Anzahl der auf der Kommandozeile übergebenen Argumente argc und ein Feld von Zeichenketten der Argumente argv übergeben. Die Funktion atol verwandelt eine Zeichenkette in eine ganze Zahl. Beispiele: arabic2roman 2010 MMX arabic2roman 1968 MCMLXVIII Aufgabe: (20 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm bubblesort.asm, welches das Bubblesort- Verfahren verwendet, um mehreren Zeichenketten aufsteigend nach Ihrem ASCII-Code zu sortieren. Die Zeichenketten werden als Kommandozeilenparameter übergeben, die sortierten Zeichenketten werden auf der Standardausgabe ausgegeben. Beispiel: bubblesort Dieses Programm sortiert alle Zeichenketten nach Ihrem ASCII-Code. Deeiss Pagmmorr eiorrstt aell Zceeeehiknntt achn Iehmr -.ACCIISdeo Beim Bubblesort werden nacheinander jeweils zwei aufeinanderfolgende Elemente verglichen (Index i und i + 1). Befinden die beiden Elemente sich nicht in der gewünschten Ordnung, so werden sie vertauscht. Dann wird mit Index i + 1 und i + 2 fortgefahren. Die Sortierung ist beendet, wenn im letzten Durchlauf keine Vertauschung vorgenommen wurde. Aufgabe: (40 Punkte) Implementieren Sie das CRC-Verfahren zur Checksummen-Berechnung nach der Beschreibung auf in einem Assemblerprogramm crc.asm. Das Pro- 3

6 gramm soll die CRC-Checksumme für die Zeichen berechnen, die ihm auf der Standardeingabe übergeben werden (z.b. durch Umlenken einer Datei auf die Standardeingabe). Beispiel: crc < print_args.asm Checksumme: 0xbe9b56fc Gehen Sie von dem modifizierten Algorithmus aus, der auf obiger Webseite als C-Programm angegeben ist: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <inttypes.h> #define CRC32POLYREV 0xEDB88320 /* CRC-32 Polynom, umgekehrte Bitfolge */ int datastream[]={1,0,0,0,1,1,0,0; /* ASCII-"1", LSB zuerst */ int databits=8; uint32_t crc32_rev; /* Shiftregister */ void calc_crc32_rev(int bit) { int lbit; lbit=crc32_rev & 1; if (lbit!= bit) crc32_rev=(crc32_rev>>1) ˆ CRC32POLYREV; else crc32_rev=crc32_rev>>1; int main(void) { int i; crc32_rev=0xffffffff; /* Startwert (111...) */ for (i=0; i<databits; ++i) calc_crc32_rev(datastream[i]); printf("0x08x\n",crc32_rev ˆ 0xffffffff); /* inverses Ergebnis, MSB zuerst */ return EXIT_SUCCESS; Aufgabe: (40 Punkte) Schreiben Sie ein Assembler-Programm fixedpoint.asm. Dieses soll auf der Standardeingabe eine Dezimalzahl mit Vor- und Nachkommestellen akzeptieren und auf der Standardausgabe deren Kodierung als Festkommazahl binär ausgeben. Die Festkommazahl hat 32 Bit und soll jeweils 16 Bit als Vor- und Nachkommabereich enthalten. Das Programm soll enden, wenn der Systemruf read den Rückgabewert 0 liefert. fixedpoint Type a number: bit fixed-point number: b Type a number: bit fixed-point number: b Type a number: bit fixed-point number: b ˆD Aufgabe: (10 Punkte) Analysieren Sie den vom C-Compiler erzeugten Code für das folgende C-Programm namens simple.cc: 4 Erzeugen Sie mittels gcc -O0 -S simple.cc intel2gas -g -o simple.asm simple.s 4

7 eine Datei simple.asm im Intel-Assembler-Format und öffnen Sie diese mit einem Text-Editor (z.b. emacs). Vergleichen Sie bei den folgenden Erweiterungen des C-Programms jeweils das Ergebnis des Compiler-Laufes mit der zuletzt entstandenen Assembler-Datei. Geben Sie den Wert -1 von der Funktion main zurück: 4 return -1; 5 Führen Sie zwei lokale Variablen ein: 4 int i, j; 5 return -1; 6 Initialisieren Sie eine der Variablen: 4 int i, j; 5 j = 123; 6 return -1; 7 Fügen Sie eine for Schleife hinzu: 4 int i, j; 5 j = 123; 6 for (i = 1; i < 5; i++); 7 return -1; 8 Lassen Sie innerhalb der Schleife eine Berechnung ausführen: 4 int i, j; 5 j = 123; 6 for (i = 1; i < 5; i++) 7 j += i; 8 return -1; 9 Rufen Sie alternativ ein Unterprogramm auf, welches diese Berechnung ausführt: 2 add(int a, int b) 4 int c; 5 c = a + b; 6 return c; 5

8 7 8 9 int 10 main(int argc, char *argv[]) 11 { 12 int i, j; 13 j = 123; 14 for (i = 1; i < 5; i++) 15 j = add(j, i); 16 return -1; 17 Führen Sie eine globale Variable ein: k = 54321; 2 3 int 4 add(int a, int b) 5 { 6 int c; 7 c = a + b; 8 return c; int i, j; 15 j = k; 16 for (i = 1; i < 5; i++) 17 j = add(j, i); 18 return -1; 19 Fassen Sie die gewonnenen Einsichten zusammen: Wie werden lokale Variablen in Funktionen erzeugt und vernichtet? Wo wird der Speicherplatz für diese Variablen angelegt? Wie erfolgt der Zugriff auf lokale Variablen? Wie werden globale Variablen erzeugt? Wo wird der Speicherplatz für diese Variablen angelegt? Wie erfolgt der Zugriff auf globale Variablen? Wie werden Parameter an Funktionen übergeben? Wie erfolgt der Zugriff auf diese Parameter in der Funktion? Wie werden Rückgabewerte übergeben? Wie werden Stack-Rahmen (stack frames) verwaltet? Was bewirkt die Instruktion leave? Aufgabe: (10 Punkte) Analysieren Sie die Gleitkomma-Instruktionen, die der C-Compiler für folgendes Programm float.cc erzeugt: 1 float a = , b = 9.9, c = 0.5, d = 0.2, e; 2 3 int 4 main() 5 { 6 e = (a + b) * (c - d); 7 Erzeugen Sie dazu zunächst eine Assembler-Datei float.asm im Intel-Format mittels gcc -O0 -S float.cc intel2gas -g -o float.asm float.s 6

9 und öffnen Sie diese mit einem Text-Editor. Testen Sie das Programm mit dem Debugger gdb. Rufen Sie dazu den Assembler auf und erzeugen Sie ein ausführbares Programm float mittels nasm -f elf float.asm gcc -o float float.o Setzen Sie im Debugger einen Unterbrechungspunkt vor den Gleitkomma-Instruktionen und starten Sie das Programm. Arbeiten Sie nach dem Erreichen des Unterbrechungspunktes das Programm schrittweise ab (si) und lassen Sie sich die Gleitkomma-Register st0 bis st7 anzeigen. Es ist hilfreich, sich dafür in der Datei.gdbinit folgendes Kommando zu definieren, welches einmal am Beginn aufgerufen werden muss: 1 define fpu-display 2 display /f $st0 3 display /f $st1 4 display /f $st2 5 display /f $st3 6 display /f $st4 7 display /f $st5 8 display /f $st6 9 display /f $st7 10 display /i $eip 11 end Beschreiben Sie die Veränderungen auf dem Gleitkomma-Stapel. 7