Linux asm что это

Записки программиста

Написание и отладка кода на ассемблере x86/x64 в Linux

17 августа 2016

Сегодня мы поговорим о программировании на ассемблере. Вопрос «зачем кому-то в третьем тысячелетии может прийти в голову писать что-то на ассемблере» раскрыт в заметке Зачем нужно знать всякие низкоуровневые вещи, поэтому здесь мы к нему возвращаться не будем. Отмечу, что в рамках поста мы сосредоточимся на вопросе компиляции и отладки программ на ассемблере. Сам же язык ассемблера заслуживает отдельного большого поста, а то и серии постов.

Если вы знаете ассемблер, то любая программа для вас — open source.

Введение

Существует два широко используемых ассемблерных синтаксиса — так называемые AT&T-синтаксис и Intel-синтаксис. Они не сильно друг от друга отличаются и легко переводятся один в другой. В мире Windows принято использовать синтаксис Intel. В мире *nix систем, наоборот, практически всегда используется синтаксис AT&T, а синтаксис Intel встречается крайне редко (например, он используется в утилите perf). Поскольку Windows, как известно, не существует, далее мы сосредоточимся на правильном AT&T-синтаксисе 🙂

Компиляторов ассемблера существует много. Мы будем использовать GNU Assembler (он же GAS, он же /usr/bin/as). Скорее всего, он уже есть вашей системе. К тому же, если вы пользуетесь GCC и собираетесь писать ассемблерные вставки в коде на C, то именно с этим ассемблером вам предстоит работать. Из достойных альтернатив GAS можно отметить NASM и FASM.

Наконец, язык ассемблера отличается в зависимости от архитектуры процессора. Пока что мы сосредоточимся на ассемблере для x86 (он же i386) и x64 (он же amd64), так как именно с этими архитектурами приходится чаще всего иметь дело. Впрочем, ARM тоже весьма распространен, главным образом на телефонах и планшетах. Еще из сравнительно популярного есть SPARC и PowerPC, но шансы столкнуться с ними весьма малы. Отмечу, что x86 и x64 можно было бы рассматривать отдельно, но эти архитектуры во многом похожи, поэтому я не вижу в этом большого смысла.

«Hello, world» на int 0 x80

Рассмотрим типичный «Hello, world» для архитектуры x86 и Linux:

.data
msg :
. ascii «Hello, world!\n»
. set len , . — msg

. globl _start
_start :
# write
mov $ 4 , % eax
mov $ 1 , % ebx
mov $msg , % ecx
mov $len , % edx
int $ 0x80

# exit
mov $ 1 , % eax
xor % ebx , % ebx
int $ 0x80

Коротко рассмотрим первые несколько действий, выполняемых программой: (1) программа начинает выполнение с метки _start, (2) в регистр eax кладется значение 4, (3) в регистр ebx помещается значение 1, (4) в регистр ecx кладется адрес строки, (5) в регистр edx кладется ее длина, (6) происходит прерывание 0 x80. Так в мире Linux традиционно происходит выполнение системных вызовов. Конкретно int 0 x80 считается устаревшим и медленным, но из соображений обратной совместимости он все еще работает. Далее мы рассмотрим и более новые механизмы.

Нетрудно догадаться, что eax — это номер системного вызова, а ebx, ecx и edx — его аргументы. Какой системный вызов имеет какой номер можно подсмотреть в файлах:

Следующая строчка из файла unistd_32.h:

… как бы намекает нам, что производится вызов write. В свою очередь, из man 2 write мы можем узнать, какие аргументы этот системный вызов принимает:

ssize_t write ( int fd , const void * buf , size_t count ) ;

То есть, рассмотренный код эквивалентен:

Затем аналогичным образом производится вызов:

Совсем не сложно!

В общем случае системный вызов через 0 x80 производится по следующим правилам. Регистру eax присваивается номер системного вызова из unistd_32.h. До шести аргументов помещаются в регистры ebx, ecx, edx, esi, edi и ebp. Возвращаемое значение помещается в регистр eax. Значения остальных регистров при возвращении из системного вызова остаются прежними.

Выполнение системного вызова через sysenter

Начиная с i586 появилась инструкция sysenter, специально предназначенная (чего нельзя сказать об инструкции int) для выполнения системных вызовов.

Рассмотрим пример использования ее на Linux:

.data
msg :
. ascii «Hello, world!\n»
len = . — msg

. text
. globl _start

_start :
# write
mov $ 4 , % eax
mov $ 1 , % ebx
mov $msg , % ecx
mov $len , % edx
push $write_ret
push % ecx
push % edx
push % ebp
mov % esp , % ebp
sysenter

write_ret :
# exit
mov $ 1 , % eax
xor % ebx , % ebx
push $exit_ret
push % ecx
push % edx
push % ebp
mov % esp , % ebp
sysenter

Сборка осуществляется аналогично сборке предыдущего примера.

Как видите, принцип тот же, что при использовании int 0 x80, только перед выполнением sysenter требуются поместить в стек адрес, по которому следует вернуть управление, а также совершить кое-какие дополнительные манипуляции с регистрами. Причины этого более подробно объясняются здесь.

Инструкция sysenter работает быстрее int 0 x80 и является предпочтительным способом совершения системных вызовов на x86.

Выполнение системного вызова через syscall

До сих пор речь шла о 32-х битных программах. На x64 выполнение системных вызовов осуществляется так:

.data
msg :
. ascii «Hello, world!\n»
. set len , . — msg

. globl _start
_start :
# write
mov $ 1 , % rax
mov $ 1 , % rdi
mov $msg , % rsi
mov $len , % rdx
syscall

# exit
mov $ 60 , % rax
xor % rdi , % rdi
syscall

Собирается программа таким образом:

Принцип все тот же, но есть важные отличия. Номера системных вызовов нужно брать из unistd_64.h, а не из unistd_32.h. Как видите, они совершенно другие. Так как это 64-х битный код, то и регистры мы используем 64-х битные. Номер системного вызова помещается в rax. До шести аргументов передается через регистры rdi, rsi, rdx, r10, r8 и r9. Возвращаемое значение помещается в регистр rax. Значения, сохраненные в остальных регистрах, при возвращении из системного вызова остаются прежними, за исключением регистров rcx и r11.

Интересно, что в программе под x64 можно одновременно использовать системные вызовы как через syscall, так и через int 0 x80.

Отладка ассемблерного кода в GDB

Статья была бы не полной, если бы мы не затронули вопрос отладки всего этого хозяйства. Так как мы все равно очень плотно сидим на GNU-стэке, в качестве отладчика воспользуемся GDB. По большому счету, отладка не сильно отличается от отладки обычного кода на C, но есть нюансы.

Например, вы не можете так просто взять и поставить брейкпоинт на процедуру main. Как минимум, у вас попросту нет отладочных символов с информацией о том, где эту main искать. Решение заключается в том, чтобы самостоятельно определить адрес точки входа в программу и поставить брейкпоинт на этот адрес:

Источник

Assembler Linux

Компиляторы ассемблера в Linux

В Linux традиционно используется компилятор ассемблера GNU Assembler (GAS, вызываемый командой as), входящий в состав пакета GCC. Этот компилятор является кроссплатформенным, т. е. может компилировать программы, написанные на различных языках ассемблера для разных процессоров. Однако GAS использует синтаксис AT&T, а не Intel, поэтому его использование программистами, привыкшими к синтаксису Intel, вызывает некоторый дискомфорт.
Например программа, выводящая на экран сообщение «Hello, world!» (далее будем называть ее hello) выглядит следующим образом:

.section .data
msg:
.ascii «Hello, world!\n»
len = . — msg # символу len присваевается длина строки
.section .text
.global _start # точка входа в программу
_start:
movl $4, %eax # системный вызов № 4 — sys_write
movl $1, %ebx # поток № 1 — stdout
movl $msg, %ecx # указатель на выводимую строку
movl $len, %edx # длина строки
int $0x80 # вызов ядра
movl $1, %eax # системный вызов № 1 — sys_exit
xorl %ebx, %ebx # выход с кодом 0
int $0x80 # вызов ядра

Как видно из примера, различия видны как в синтаксисе команд, так и в синтаксисе директив ассемблера и комментариях.
В последних версиях GAS появилась возможность использования синтаксиса Intel для команд, но синтаксис директив и комментариев остается традиционным. Включение синтаксиса Intel осуществляется директивой .intel_syntax с параметром noprefix. При этом программа, приведенная выше изменится следующим образом:

.intel_syntax noprefix
.section .data
msg:
.ascii «Hello, world!\n»
len = . — msg # символу len присваевается длина строки
.section .text
.global _start # точка входа в программу
_start:
mov eax, 4 # системный вызов № 4 — sys_write
mov ebx, 1 # поток № 1 — stdout
mov ecx, OFFSET FLAT:msg # указатель на выводимую строку
# OFFSET FLAT означает использовать тот адрес,
# который msg будет иметь во время загрузки
mov edx, len # длина строки
int 0x80 # вызов ядра
mov eax, 1 # системный вызов № 1 — sys_exit
xor ebx, ebx # выход с кодом 0
int 0x80 # вызов ядра

Другим широко распространенным компилятором ассемблера для Linux является Netwide Assembler (NASM, вызываемый командой nasm). NASM использует синтаксис Intel. Кроме того, синтаксис директив ассемблера NASM частично совпадает с синтаксисом MASM. Пример приведенной выше программы для ассемблера NASM выглядит следующим образом:

section .data
msg db «Hello, world!\n»
len equ $-msg ; символу len присваевается длина строки
section .text
global _start ; точка входа в программу
_start:
mov eax, 4 ; системный вызов № 4 — sys_write
mov ebx, 1 ; поток № 1 — stdout
mov ecx, msg ; указатель на выводимую строку
mov edx, len ; длина строки
int 80h ; вызов ядра
mov eax, 1 ; системный вызов № 1 — sys_exit
xor ebx, ebx ; выход с кодом 0
int 80h ; вызов ядра

Кроме перечисленных ассемблеров в среде Linux можно использовать ассемблеры FASM и YASM. Оба поддерживают синтаксис Intel, но FASM имеет свой синтаксис директив, а YASM синтаксически полностью аналогичен NASM и отличается от него только типом пользовательской лицензии. В дальнейшем изложении материала все примеры будут даваться применительно к синтаксису, используемому NASM. Желающим использовать GAS можно порекомендовать статью о сравнении этих двух ассемблеров. Кроме того, при использовании в GAS директивы .intel_syntax noprefix различия между ними будут не столь значительными. Тексты программ, подготовленные для NASM, как правило, без проблем компилируются и YASM.

Структура программы

Программы в Linux состоят из секций, каждая из которых имеет свое назначение [6]. Секция .text содержит код программы. Секции .data и .bss содержат данные. Причем первая содержит инициализированные данные, а вторая — не инициализированные. Секция .data всегда включается при компиляции в исполняемый файл, а .bss в исполняемый файл не включается и создается только при загрузке процесса в оперативную память. Начало секции объявляется директивой SECTION имя_секции. Вместо директивы SECTION можно использовать директиву SEGMENT. Для указания конца секции директив не существует — секция автоматически заканчивается при
объявлении новой секции или в конце программы. Порядок следования секций в программе не имеет значения. В программе обязательно должна быть объявлена метка с именем _start – это точка входа в программу. Кроме того, метка точки входа должна быть объявлена как глобальный идентификатор директивой GLOBAL _start. Так как имя точки входа предопределено, то необходимость в директиве конца программы END отпадает: в NASM данная директива не поддерживается.
При создании многомодульных программ все метки (идентификаторы переменных и функций), которые предполагается использовать в других модулях, необходимо объявить как глобальные с помощью директивы GLOBAL. Наоборот, все идентификаторы, реализованные в других модулях и объявленные там, как глобальные, необходимо объявить как внешние директивой EXTERN. Функция сложения двух чисел sum, рассмотренная в предыдущей лабораторной работе, в NASM будет выглядеть так:

SECTION .text
global sum
sum:
push ebp
mov ebp, esp
mov eax, [ebp+8]
add eax, [ebp+12]
pop ebp
ret

Использование библиотечных функций

В программах на ассемблере можно использовать функции библиотеки Си. Для использования функции ее надо предварительно объявить директивой EXTERN. Например, для того. чтобы использовать функцию printf необходимо предварительно указать выполнить следующую директиву:
EXTERN printf
Программу hello можно модифицировать так, чтобы она использовала для вывода информации не функцию API Linux, а функцию printf библиотеки Си. Код программы, назовем ее hello-c, будет выглядеть так:

SECTION .data
msg db «Hello, world!»,0
fmt db «%s»,0Ah
SECTION .text
GLOBAL _start ; точка входа в программу
EXTERN printf ; внешняя функция библиотеки Си
_start:
push msg ; второй параметр — указатель на строку
push fmt ; первый параметр — указатель на формат
22
call printf ; вызов функции
add esp, 4*2 ; очистка стека от параметров
mov eax, 1 ; системный вызов № 1 — sys_exit
xor ebx, ebx ; выход с кодом 0
int 80h ; вызов ядра

Компиляция программ, использующих библиотечные функции ничем не отличается от компиляции программ, использующих только функции API. Различия появляются только на этапе компоновки. Особенности компоновки будут рассмотрены далее.

Источник

Разработка на ассемблере в Linux

Вообще программирование на ассемблере в Linux мало распространено и занимаются им, разве что, фанаты ассемблера. Сегодня мы и поговорим о программировании на ассемблере и инструментарий. Что нам понадобится:

• FASM. Берем на flatassembler.net версию для Linux
• ald. Берем на ald.sourceforge.net
• shed. Берем на shed.sourceforge.net
• ld. Есть в большинстве дистрибутивов

Собственно каждый для себя выбирает инструменты сам. Я выбрал для себя эти.

Установка FASM

После загрузки архива с офф. сайта распакуем его:

tar zxvf fasm-1.69.11.tgz

В папке у нас будет бинарный файл fasm, который мы можем использовать для компиляции. Для удобства вы можете создать симлинк на него:

sudo ln -s /home/username/fasm/fasm /usr/local/bin

ald и shed устанавливаются не сложнее:

$ ./configure
$ make
# make install

В итоге у нас будет 3 полезных инструмента для программирования на ассемблере.

Системные вызовы

Как и большинство других операционных систем, Linux предоставляет т.н. API — набор полезных для программиста функций. В большинстве случаев вызов системной функции производится с помощью прерывания 80h. Следует отметить, что Linux используется fastcall-конвенция передачи параметров. Согласно ей параметры передаются через регистры (в windows, например, используется stdcall, где параметры передаются через стек). Номер вызываемой функции кладется в eax, а параметры в регистры:

Номер параметра / Регистр

1 / ebx
2 / ecx
3 / edx
4 / esi
5 / edi
6 / ebp

Как видите все не так сложно. Узнать номер системной функции, ее описание и параметры можно, хотя бы здесь. Возьмем, к примеру sys_exit . Как можно увидеть на той странице у нее есть один параметр — код возврата и она имеет порядковый номер 1. Таким образом мы можем вызвать ее следующим кодом:

mov eax, 1 ; 1 — номер системной функции
sub ebx, ebx ; Обнуляем регистр (можно было записать mov ebx, 0)
int 80h ; Вызываем прерывание 80h

Надеюсь, что все понятно.

Hello, World!

Ну что же. Писать мы ничего не будем, т.к. за нас все написано 🙂 В папке fasm/examples/elfexe есть файл hello.asm, в котором находится следующий код:

; fasm demonstration of writing simple ELF executable

format ELF executable 3
entry start

segment readable executable

mov eax,4
mov ebx,1
mov ecx,msg
mov edx,msg_size
int 0x80

mov eax,1
xor ebx,ebx
int 0x80

segment readable writeable

msg db ‘Hello world!’,0xA
msg_size = $-msg

Как видите здесь вызываются 2 системных функции — sys_write (с порядковым номером 4) и sys_exit . sys_write принимает 3 параметра — дескриптор потока вывода (1 — stdout), указатель на строку и размер строки. Сам номер функции, как уже говорилось, мы должны положить в eax. Функцию sys_exit мы уже разобрали. Скомпилировать это чудо можно так: fasm hello.asm (но не обязательно, т.к. там же, где лежит исходник, есть и бинарник).

Посмотрим, что внутри

Думаю, что самое время заглянуть в наш бинарник. Для начала воспользуемся шестнадцатеричным редактором, чтобы посмотреть что у нас получилось. Выполним команду:

Мы видим всю нашу программу, данные, elf-заголовок. Неплохо? Теперь мы посмотрим на нашу программу в отладчике. Наберем в консоли:

Нас должна поприветствовать строка с предложением ввести команду. Список команд вы можете узнать, набрав help или получить помощь по отдельной команде, набрав help command . Дизассемблировать нашу программу можно командой disassemble (или ее алиас — » d «). Вы увидете дизассемблированный листинг вашей программы. Слева — адрес, справа — сама команда, а посередине — опкод команды.

Получить дамп можно командой dump (странно, но ее нет в выводе команды help ).

Теперь попробуем поработать с командой next . Выполните ее и в ответ вам покажут значения регистров, установленные флаги, а так же адрес, опкод и дизассемблированную команду, которая должна выполниться следующей. Попробуйте выполнять команды и следите за изменением флагов и регистров. После вызова первого прерывания у вас на экране должна появиться надпись «Hello world!».

Целью данной статьи было показать основы программирования на ассемблере в linux, а не программирования на ассемблере в общем. Надеюсь, что вы подчерпнули для себя что-то полезное от сюда.

Источник