Asembler i C - standard cdecl w 32 bit

Wprowadzenie

Pisanie większych programów wyłącznie w asemblerze jest bardzo nieefektywne. Dlatego najczęściej asembler jest używany do tworzenia wybranych funkcji, wołanych z programów pisanych w językach wysokiego poziomu. Aby takie wywołania (np. pomiędzy asemblerem a C) poprawnie działały, należy przestrzegać konwencji wywołania funkcji przyjętych w odpowiednich standardach (definiujących sposób przekazywania argumentów, odbioru wyniku, zachowywania rejestrów itd). Standardy te różnią się w zależności od architektury procesora, systemu operacyjnego, języka programowania (czy nawet jego wersji).

Standard cdecl

Konwencja cdecl (stosowana przez język C w trybie 32-bitowym) w wielkim skrócie:

  • Argumenty są przekazywane do funkcji za pośrednictwem stosu i umieszczane w kolejności od prawej do lewej (RLO).
  • Wartość w zależności od typu i rozmiaru zwracana jest w rejestrze
    • EAX : wskaźniki oraz liczby całkowite np. int, char, short
    • EDX:EAX : małe struktury
    • ST0 : liczby zmiennoprzecinkowe: float, double, long double
  • Rejestry EBX, ESI, EDI, EBP, CS, DS, SS, ES po wyjściu z funkcji powinny mieć niezmienione wartości.

Więcej szczegółów można znaleźć w materiałach z wykładu.

Kompilacja na Linuxie 64-bitowym

Aby kompilować programy 32 bitowe w systemie Linux 64 bitowym przeważnie trzeba doinstalować odpowiednie 32 bitowe pakiety gcc-multilib i lib32stdc++-XX-dev (gdzie XX to wersja kompilatora g++). Przykładowo w Ubuntu

sudo apt install gcc-multilib lib32stdc++10-dev

Kompilując i linkując musimy dodawać odpowiednie opcje -felf32 i -m32 informujące, że chcemy otrzymać kod binarny 32 bitowy. Przykładowo dla plików zródłowych main.cpp i funkcja.asm mamy

g++ -m32 -c main.cpp -o main.o
nasm -felf32 funkcja.asm -o funkcja.o
g++ -m32 main.o funkcja.o -o main

Wywołanie funkcji języka C z asemblera

Na Listingu 1 pokazano kod programu asemblerowego wywołującego funkcję printf.

W Windows nazwy funkcji poprzedzane są znakiem _. Aby skompilować przykłady należy dodać podkreślenia do etykiet main i printf.

Listing 1 : c_asm.asm

; KOMPILACJA:  plik źródłowy c_asm.asm
; nasm -o c_asm.obj -felf c_asm.asm
; gcc -m32 -no-pie c_asm.obj -o c_asm
section .text

extern printf          ; definicja funkcji printf znajduje się w bibliotece standardowej C
global main  
main:                  ; punkt wejścia - funkcja main
enter 0, 0
                       ; printf("Liczba jeden to: %d\n", 1);
push   dword 1         ; drugi argument
push   dword napis     ; pierwszy argument 
                       ; UWAGA: kolejność argumentów RLO (od prawej do lewej)
call   printf          ; uruchomienie funkcji
add    esp, 2*4        ; posprzątanie stosu - rejestr ESP wskazuje to samo, 
                       ; co przed wywołaniem funkcji printf
xor    eax, eax        ; return 0;
leave
ret                    ; wyjście z programu
section .data
napis: db "Liczba jeden to: %d", 10, 0

Wywołanie z C funkcji zaimplementowanej w asemblerze

Na Listingu 2 pokazano kod programu napisanego w C, wołającego funkcję asemblerową przedstawioną na Listingu 3.

Listing 2 main.c

// KOMPILACJA - kod źródłowy C w main.c, kod źródłowy ASM w suma.asm
// LINUX :
// nasm -felf32 suma.asm -o suma.o
// gcc -m32 -no-pie -o main.o -c main.c
// gcc -m32 -no-pie main.o suma.o -o suma
#include <stdio.h>

int suma (int a, int b);         /* prototyp funkcji */

int main(){
  int c=1, d=2;
  scanf("%d %d",&c,&d);
  printf("%d\n", suma(c,d));
  return 0;
}

Listing 3 : suma.asm

BITS 32
section .text
global suma        ; funkcja suma ma być widziana w innych modułach aplikacji
suma:
   enter 0, 0     ;  tworzymy ramkę stosu na początku funkcji
      ; ENTER 0,0 = PUSH EBP / MOV EPB, ESP
      ; po wykonaniu enter 0,0
      ; w [ebp]    znajduje się stary EBP
      ; w [ebp+4]  znajduje się adres powrotny z procedury
      ; w [ebp+8]  znajduje się pierwszy parametr,
      ; w [ebp+12] znajduje się drugi parametr
      ; itd.
; pomocnicze makrodefinicje
   %idefine    a    [ebp+8]
   %idefine    b    [ebp+12]
; tu zaczyna się właściwy kod funkcji
   mov    eax, a
   add    eax, b
; tu kończy się właściwy kod funkcji
   leave     ; usuwamy ramkę stosu LEAVE = MOV ESP, EBP / POP EBP
ret    ; wynik zwracany jest w rejestrze eax

Zadania

Zadanie 1

Napisać w assemblerze funkcję main, która wczytuje dwie liczby całkowite ze znakiem przy użyciu funkcji scanf z biblioteki standardowej języka C i wypisujący na ekran ich iloraz przy użyciu funkcji printf. Należy przysłać tylko plik ASM.

Input Output
2 1 2
-4 -2 2
-6 2 -3

Zadanie 2

Napisać aplikację 32 bitową wyliczającą iloczyn elementów tablicy liczb int.

Aplikacja ma być złożona z dwóch modułów:

  • w C (inicjalizacja tablicy, operacje wejścia/wyjścia),

  • w ASM (funkcja licząca iloczyn) parametrami funkcji są ilość elementów tablicy i wskaźnik na pierwszy element tablicy.

    int iloczyn(int n, int * tab);

Zadbaj o to aby funkcja iloczyn była zgodna ze standardem cdecl.

Zadanie 3

Napisać funkcję o nagłówku

void sortuj( int * a, int *b, int * c);

sortującą malejąco wartości trzech podanych zmiennych. Po wywołaniu funkcji wartości zmiennych powinny zostać odpowiednio pozamieniane.

Na przykład

int x=5, y=3, z=4;

sortuj( &x, &y, &z);

printf(" %d %d %d \n", x, y, z);

powinno wypisać

5 4 3

Program z testami

Zadanie 4

Napisać moduł asemblerowy implementujący 32 bitowyą funkcję minmax

MinMax minmax( int N, ...);

wyliczającą minimalny i maksymalny spośród argumentów funkcji. Pierwszym argumentem funkcji jest liczba całkowita N>0, po której następuje N argumentów całkowitych.

Wyniki mają być zwracane jako struktura MinMax.

typedef struct{
    int min;
    int max;
} MinMax;

Sposób zwracania zależy od systemu operacyjnego i wersji kompilatora:

  • Linux: Jako pierwszy argument funkcji minmax zostanie przekazany wskaźnik na obiekt typu MinMax, który należy uzupełnić.
  • Windows, starsze gcc pod Linuxem: Struktura MinMax mieści się w sumie rejestrów EDX:EAX i tam powinna być zwrócona.

Aplikacja ma być złożona z dwóch modułów:

  • w C (operacje I/O, wywołanie funkcji),
  • w ASM implementacja funkcji minmax (tylko ten plik przesyłamy jako rozwiązanie).
#include <stdio.h>

typedef struct{
    int min;
    int max;
} MinMax;


int main(){

   MinMax wynik = minmax(7, 1, -2, 4 , 90, 4, -11, 101); // -11 101
   printf("min = %d, max = %d \n", wynik.min, wynik.max); 

   wynik = minmax(5, 1, -2, 4 , 90, 4, -11, 101);        // -2 90
   printf("min = %d, max = %d \n", wynik.min, wynik.max); 

   wynik = minmax(1, 0);                                 // 0 0
   printf("min = %d, max = %d \n", wynik.min, wynik.max);

   return 0;
}