Outras implementações de Assembly

Rodolfo Azevedo

MC404 - Organização Básica de Computadores e Linguagem de Montagem

http://www.ic.unicamp.br/~rodolfo/mc404

ARM e x86

• São as duas arquiteturas mais utilizadas hoje em dia
  • x86 em computadores/servidores
  • ARM em sistemas embarcados em geral
• Os usos estão se expandindo
• Os slides a seguir contam um pouco do assembly de cada uma delas
  • Atenção para a questão cronológica: o x86 é mais antigo que o ARM. O RISC-V é o mais novo de todos.
  • Você viu RISC-V primeiro, então algumas comparações serão feitas nessa direção

ARM

• Processador mais utilizado no mundo
• Assembly com grande variedade de instruções
• Diversas versões do processador
• Várias extensões ao conjunto de instruções
• Versões de 32 e 64 bits

Registradores

• 16 registradores de uso geral: r0, r1, … r15

• Convenção de uso

• 13 de uso geral: r0 … r12

• 3 de uso especial: r13, r14, r15

  • SP: r13
  • LR: r14
  • PC: r15

• Atenção para o PC como um registrador de uso geral

  • Registrador de 32 bits com os últimos bits zerados

Instruções Básicas

• Formato geral similar ao RISC-V
• Exemplos:
  • add r1, r2, r3
  • add r1, r2, #50
• Note instruções com carry (vai um)
• Não há distinção de mnemônicos para imediato ou não

Execução condicional

• Toda instrução de 32 bits pode ser condicional
• Você sempre pode adicionar uma instrução de comparação e executar, daí em diante, as demais instruções condicionalmente
• São 16 sufixos de condições. Os principais são:
  • EQ: igual
  • NE: diferente
  • GT: maior
  • LT: menor
  • GE: maior ou igual
  • LE: menor ou igual
  • AL: sempre (default)

Instruções de salto

• B<condição> destino
  • Salta para o destino (similar ao RISC-V)
• BL<cond> função
  • Equivalente al CALL, guarda o endereço de retorno no LR
• MOV PC, LR
  • Equivalente ao RET

Exemplo: Maior Divisor Comum

Maior Divisor Comum (duas implementações)

• Original

gcd:   cmp r0, r1
       beq fim
       blt menor
       sub r0, r0, r1
       bal gcd
menor: sub r1, r1, r0
       bal gcd 
fim:

• ARM com condicional

gcd:  cmp   r0, r1
      subgt r0, r0, r1
      sublt r1, r1, r0
      bne   gcd

Load e Store

• Como o RISC-V, somente instruções explícitas de acesso à memória conseguem ler e escrever dados na memória
• Load: Lê dados da memória
  • LDR ou LDM
• Store: Escreve dados na memória
  • STR ou STM

Exemplos

• ldr r0, [r1, #12]
  • Supondo r1 = 20, acessa a posição 32 (=20+12) de memória e guarda o valor no registrador r0.
• str r5, [r9, #-20]
  • Supondo r9 = 100, grava o valor do registrador r5 na posição 80 (=100-20) de memória.
• Se incluir uma exclamação (!) após a instrução, atualiza o registrador de índice (r1, r9) pela constante fornecida.

Acesso Múltiplo à memória

• STM e LDM executam mais de uma operação de memória.

• Precisam de um sufixo para indicar a direção desejada do acesso à memória:

  • Endereço crescente ou decrescente
  • Posição inicial preenchida ou não preenchida

• LDM<sufixo> r1, {r0, r2, r3}

• STM<sufixo> r1, {r0, r2, r3}

• Facilita a implementação da pilha ao utilizar o sufixo FD

  • STMFD r13!, {r4-r7}
  • LDMFD r13!, {r4-r7}

• A esclamação atualiza o registrador de índice com o último valor

Arquitetura x86

• Disponível nas versões 16 bits, 32 bits e 64 bits
• Apesar da inclusão de novas instruções e registradores, o assembly foi sendo simplificado
  • Existem inúmeras restrições de uso de registradores no modo 16 bits que foram sendo relaxados
• Instruções tipicamente de dois endereços:
  • X = X op Y
• As instruções podem acessar diretamente a memória sem a necessidade de LW ou SW como no RISC-V

Registradores

• Considerando o modo de 16 bits, existem 8 registradores de uso geral
  • AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP
  • Os 4 primeiros podem ser divididos em H e L: AH e AL, BH e BL, CH e CL, DH e DL
• Considerando o modo de 32 bits, existem 8 registradores de uso geral
  • EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP
• Considerando o modo de 64 bits, existem 16 registradores de uso geral
  • RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15

Modos de endereçamento

• Os modos de endereçamento são mais complexos que no RISC-V
• Existem muitas variações de endereçamento conforme o exemplo abaixo utilizando a instrução MOV (copia o dado da direita para esquerda):

mov [edx],                      eax
mov [ebx+ebp],                  eax
mov [esi+edi],                  eax
mov [esp+ecx],                  eax
mov [ebx*4 + 0x1a],             eax
mov [ebx + ebp*8 + 0xab12cd34], eax
mov [esp + ebx*2],              eax
mov [0xffffaaaa],               eax

mov [esp*2], eax

Pilha

• A pilha é implementada utilizando o registrador SP
• Duas instruções especiais:
  • PUSH empilha o valor de um registrador
  • POP desempilha o valor para um registrador

Instruções de salto

• As instruções de salto são similares ao RISC-V
• JMP para salto incondicional para um endereço
• Instruções de salto condicional
  • JE: igual
  • JNE: diferente
  • JG: maior
  • JL: menor
  • JGE: maior ou igual
  • JLE: menor ou igual
• As instruções de salto condicional são baseadas no resultado de uma operação anterior, que pode ser CMP ou uma aritmética qualquer

Funções

• Instrução CALL para chamar uma função

• Instrução RET para retornar de uma função

• O padrão original é passar parâmetros pela pilha com PUSH e POP

• A CALL empilha o endereço de retorno

• A RET desempilha o endereço de retorno

Algumas instruções

• As instruções de 2 endereços operam sobre os dois parâmetros e guardam a resposta no primeiro
• MOV copia o dado da direita para esquerda
• ADD / SUB soma/subtrai o dado da direita do da esquerda
• INC / DEC incrementa/decrementa o registrador
• CMP compara os dois dados e atualiza o registrador de flags
• AND / OR / XOR operações lógicas
• NOT / NEG operações lógicas unárias
• MULT / DIV multiplicação e divisão
• XCHG troca o conteúdo de dois registradores
• SHL / SHR deslocamento de bits para esquerda e direita

Movimentando bytes/palavras

• x86 possui instruções específicas para facilitar a cópia de dados da memória
  • MOVSB: copia um byte
  • MOVSW: copia uma palavra (2 bytes)
  • MOVSD: copia um double word (4 bytes)
  • MOVSQ: copia um quad word (8 bytes)
• Os registradores SI e DI são utilizados para indicar a origem e destino da cópia e são incrementados automaticamente
• Pode utilizar um prefixo de repetição para repetir a operação, supondo CX=20
  • REPCXZ MOVSB: copia 20 bytes

Conclusões

• As arquiteturas são diferentes e as instruções também
• Não existe um assembly universal
• Se você quer escrever no currículo, especifique a arquitetura
• Desconfie de quem escrever que sabe assembler ao invés de assembly
• As ideias gerais e granularidade são as mesmas, você terá que quebrar suas tarefas em instruções que fazem pouca coisa por vez, independente da arquitetura
• Uma forma básica de se familiarizar com o assembly de uma arquitetura é pedindo ao compilador para gera-lo para você, passando a opção -S ao gcc por exemplo