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👉 An assembly (or assembler) language, often abbreviated asm, is a low-level programming language for a computer, or other programmable device, in which there is a very strong (but often not one-to-one) correspondence between the language and the architecture’s machine code instructions. Each assembly language is specific to a particular computer architecture. In contrast, most high-level programming languages are generally portable across multiple architectures but require interpreting or compiling. Assembly language may also be called symbolic machine code.

Environment

Intel vs AT&T APPLY Systemcall

x86_64 macos, intel, .s

nasm 다운로드

brew install nasm

Linux
   - nasm -f elf64 file.s -o file.o
Mac
   - nasm -f macho64 file.s -o file.o

Assembler

각 개인용 컴퓨터에는 컴퓨터의 산술, 논리 및 제어 활동을 제어하는 ​​마이크로 프로세서가 있다. 각 프로세서 제품군에는 키보드에서 입력 받기, 화면에 정보 표시등과 같은 다양한 작업을 수행하기 위한 고유한 지침 세트가 있습다. 이 명령어 세트를 기계어 명령어라고 한다. 프로세서는 비트 시퀀스 인 1 또는 0 인 기계어 명령어만 이해한다. 기계어는 소프트웨어 개발에 사용하기에는 너무 복잡하고 이해하기 어렵다. 따라서 프로그램을보다 이해하기 쉬운 형식으로 작성하기위한 일련의 명령인 특정 프로세서 제품군을 위해 저수준 언어가 개발되었는데, 이 언어를 어셈블러 (어셈블리 언어)라고 한다.

Assembler를 사용하면 좋은 점

• 특정 프로세서에만 있는 레지스터나 I/O 에 바로 접근할 수 있다.
• 코드 하나하나의 동작을 모두 제어하고, 여러분이 생각한 대로 움직이게 할 수 있다.
  • 크리티컬 섹션 등에서 데드락과 같은 일을 야기할 수 있는 여러개의 프로세스 쓰레드들의 코드 동작을 매우 정확하게 컨트롤 할 수 있다.
• 자신의 하드웨어 설정에만 완벽하게 최적화된 코드를 직접 제작할 수 있다. (범용적인 호환을 위한 불필요한 코드를 없앨 수 있다.)
• 운영 체제, 프로세서 및 BIOS와 상호 작용하는 방법을 알 수 있다.
• 데이터가 메모리 및 기타 장치에서 어떻게 표현되는지 알 수 있다.
• 프로세서가 명령에 액세스하는 방법과 명령을 실행하는 방법을 알 수 있다.
• 프로그램이 외부 장치에 액세스하는 방법을 알 수 있다.

Data size

• word: 2-byte data element
• double word: a 4-byte (32-bit) data element
• quadword: an 8-byte (64-bit) data element
• paragraph: 16-byte (128-bit) area
• kilobyte: 1024 bytes
• megabyte: 1,048,576 bytes

word: 컴퓨터 설계시 정해지는 메모리 기본 단위

컴퓨터 구조

폰 노이만은 컴퓨터의 구조를 CPU(Central Processing Unit)와 메모리(memory)의 두개의 주요 부분으로 나누어서 구성했다. 간단히 말해서 "연산"과 "저장"의 두 부분으로 나누었다.

메모리에 데이터가 저장되어 있다고는 하지만 이것만 가지고는 아무런 의미가 없다. 단지 비트의 나열 뿐으로 데이터를 쓸모 있는 정보로 바꾸기 위해서는 데이터를 읽어들이고, 수정하고, 옮기는 등의 일을 해야만한다. 이러한 일은 CPU가 담당하게 된다.

CPU

CPU는 한번의 시간에 메모리로 부터 명령(instruction)을 읽어 들이고 이것들을 실행한다. 이것을 fetch-execute cycle 라고 하는데, 이 명령에는 다음과 같은 요소들이 포함되어 있다.

• Program Counter
• Instruction Decoder
• Data bus
• General-purpose register
• Arithmetic and logic unit

program counter 는 컴퓨터에게 다음 수행해야될 명령(instruction)을 알려주기 위해서 사용한다. 컴퓨터의 입장에서 프로그램과 데이터가 메모리에 저장되는 방식에 의해서는 어떠한 차이도 없다. 해석의 차이가 있을 뿐이다. program counter은 실행될 다음 명령이 저장되어 있는 메모리주소값을 가지고 있다.

instruction decoder 는 더하기, 빼기, 곱하기등 데이터 이동과 같은 수행해야될 명령의 형식을 알려주기 위해서 사용된다. 컴퓨터의 수행은 명령들과 명령이 저장된 메모리 위치의 목록에 의해서 이루어 진다.

data bus 는 계산할 데이터가 있는 메모리의 위치를 가진다. data bus라고 불리우는 이유는 CPU와 Memory사이를 연결해주기 때문이다. 버스라는건 하나의 객체에 필요로 하는 여러개의 다른 객체를 연결하는 구조를 말한다.

전형적으로 메모리는 CPU 외부에 위치하고있다. 프로세서도 빠르게 접근 가능한 자체 메모리인 register 를 가지고 있다. 레지스터는 일반목적(general-purpose) 레지스터와 특별목적(special-purpose) 레지스터의 두가지 종류로 나뉜다. 일반 목적 레지스터는 말그대로 더하기, 빼기, 곱하기, 비교와 같은 일반적인 명령을 위해서 사용된다. 컴퓨터는 제한된 몇개만의 일반 목적 레지스터를 가지고 있을 뿐이며 대부분은 주(main)메모리를 이용한다.

CPU가 필요로 하는 데이터를 가져왔다면 decoded instruction 에 따라서 수치연산(arithmetic)과 논리연산(logic)을 수행한다. 이것들은 실제 수행되는 명령들로써 연산수행 결과는 data bus를 통해서 주 메모리공간 이나 레지스터리에 저장된다.

Memory

컴퓨터는 메모리의 각 저장영역을 최소단위로 나누고, 여기에 일련의 연속된 번호를 붙여서 관리하게 된다. 프로그램은 필연적으로 데이터에 대한 조작을 필요로 하며, 이러한 데이터는 메모리에 쓰여지고 읽혀지게 된다. 데이터가 어느정도의 저장영역을 필요로 하는지에 대해서 아는 바가 전혀 없으므로, 데이터가 어디에 어떻게 저장될지를 명령(instruction)을 통해서 컴퓨터에게 알려줘야 한다. 이런 명령 역시 저장영역에 쓰여진후 메모리에 저장된다음 컴퓨터가 읽어가게 된다. 한마디로 모든게 메모리영역에 들어간다음 컴퓨터에 의해서 읽혀지고 실행되어진다.

movl data_items(, %edi, 4), %ebx

예를 들어 위의 명령은 7의 저장영역을 필요로 한다. 처음 명령은 2바이트, 다음 레이지스터의 사용을 위해서 1바이트, 마지막으로 data_items영역을 위해서 4바이트를 사용하게 된다. 메모리상에서는 이러한 위치를 일련의 숫자를 통해서 찾아내게 된다.

저장 영역 대신의 다음과 같은 단어를 사용하자.

• Address Address(주소)는 저장위치를 가리키기 위한 숫자다. 컴퓨터는 메모리의 첫번째 주소가 0이 되며, 계속 1씩 증가하며 메모리의 위치를 결정한다. 이러한 주소는 컴퓨터가 사용하기에는 편리하지만 인간이 보기에는 문제가 있기 때문에, 숫자 대신 이해하기 쉬운 심볼 (data_items 와 같은)을 사용한다.

• Pointer 포인터는 주소값을 가지고 있는 메모리 혹은 레지스터영역이다. 위의 예제에서 %ebx가 포인터로, 현재의 stack영역을 point(가리킨다)한다. 대부분의 프로그래밍과정에 있어서 많은 수의 포인터를 사용하게 된다.

• Byte 저장을 위한 최소단위다. x86프로세스의 경우 한바이트는 8bit로 0에서 255사이의 값을 가진다.

• Word 레지스터의 일반적인 크다. x86 프로세스의 경우, 1 word는 4만큼의 저장영역(4byte)의 크기를 가진다.

Instruction Pointer

컴퓨터는 명령이든지 아니면 일반 데이터든지 동일하게 처리를 하며, 또한 이들을 구분할 능력을 가지고 있지 않다. Instruction pointer은 다음 명령(instruction)을 가르킨다. 해당 명령을 실행하게 되면 instruction pointer는 다음 명령의 위치를 가리키도록 값이 증가가되며, 현재 실행해야될 명령을 마치게 되면, 다시 instruction pointer의 값을 살피게 된다.

jmp등을 이용해서 명령을 점프하게 될경우는 어떻게 될까? 이럴 경우에 컴퓨터는 다음 명령이 아닌 다른 위치의 명령을 실행해야 할것이다.

jmp somewhere

이 코드는 아래의 코드와 동일한 일을 한다.

movl $somewhere, %eip

somewhere는 프로그램의 영역을 참조하기 위한 상징이다. 그러므로 %eip가 직접 somewhere를 참조하도록 하는 것은 허용이 되지 않는다. 그러나 '$'표시를 이용하게 될경우 이를 허용할 수 있게 된다. $표시가 immediate mode addressiong모드로 somewhere를 값으로 다룰 수 있도록 해주기 때문이다. '$'표시를 사용하지 않을 경우 direct addressing mode가 되는데, 그럴경우 somewhere의 주소에 있는 값이 %eip로 이동된다.

movl $0, $ebx

0앞에 $표시가 붙어 있는데, 이것은 immediate-mode instruction를 의미하는 것이므로 0을 ebx에 집어 넣게 된다. 만약 $표시를 제거하게 되면 direct addressing mode가 되어서 0번주소의 값이 %ebx에 밀어넣어지게 된다.

메모리 구조

프로그램이 메모리에 적재될때, 각각의 .section의 이름이 가리키는 지점이 로드된다. 실제코드 (.text section)은 0x0848000 주소에 로드된다. .data섹션이 그다음에 위치하게 되고, 그뒤에 .bss 섹션이 위치하게 된다. .bss 는 버퍼영역으로 우리가 사용할 메모리의 영역을 미리확보할 수 있게 도와준다. 우리는 run-time전까지는 .bss에 값을 밀어 넣을 수 없다. .data섹션의 경우에는 공간을 할당(.long 등을 이용해서)하고 거기에 필요한 값을 즉시 밀어 넣을 수 있다. 이 값들은 프로그램이 컴파일되어서 만들어 질때, 프로그램 파일에 직접 들어가게 된다. 반면 .bss 섹션의 경우 프로그램이 실행전에는 초기화 되지 않는다. 그러므로 프로그램 파일 자체에 어떠한 값을 저장할 수 없다. 여기에는 단지 어느정도의 저장공간이 필요한지 에 대한 정보만이 있을 뿐이다.

메모리는 pages라는 그룹으로 묶여서 나뉘게 된다. x86프로세스에서 실행되는 리눅스에서 한 페이지는 4096 byte의 크기를 가진다. 모든 메모리는 페이지단위로 매핑이 된다.

Register 란?

데이터 고속 처리를 위해 중앙처리장치(CPU)에 들어있는 소규모 데이터 기억 장치이다. 메모리에 접근하려고 한다면, 프로세스는 물리적으로 떨어져 있는 메모리에 접근하기 위해서 bus를 이용해서 메모리에 있는 데이터를 가져온다. 반면 register는 프로세스 그 자신이 가지고 있는 메모리 영역이다. 어셈블리에서 레지스터는 CPU가 사용하는 변수이다. 컴퓨터의 bit가 클수록 처리 속도가 빠르다.

• 범용 레지스터 (64bit - 32bit - 16bit - up 8bit - down 8bit)
  • rax (- eax - ax - ah - al)
  • rbx (- ebx - bx - bh - bl)
  • rcx (- ecx - cx - ch - cl)
  • rdx (- edx - dx - dh - dl)

AX (기본 누산기)는 I/o 및 대부분의 산술 연산에 사용된다. 예를 들어, 곱셈 연산에서 피연산자의 크기에 따라 하나의 피연산자가 eax 또는 AX 또는 AL 레지스터에 저장된다. BX (기본 레지스터)는 인덱싱 된 주소 지정에 사용된다. CX (카운트 레지스터)는 반복 작업의 사이클 수를 저장한다 (ECX 및 CX 레지스터처럼). DX (데이터 레지스터)는 큰 값과 관련된 곱셈 및 나눗셈 작업을 수행하기 위해 AX 및 DX 레지스터뿐만 아니라 I/o 작업에 사용된다.

• 인덱스 레지스터

  • rsi (src index)
  • rdi (dest index)

• 자주 쓰는 명령어

  • mov : 오퍼랜드 1에 오퍼랜드 2의 값을 대입합니다.
  • add : 오퍼랜드 1에 오퍼랜드 2를 더합니다.
  • sub : 오퍼랜드 1에 오퍼랜드 2를 뺍니다.
  • inc : 오퍼랜드 값을 1 증가 시킵니다.
  • dec : 오퍼랜드 값을 1 감소시킵니다.
  • call : 프로시져를 호출합니다. (함수 호출)
  • ret : 호출의 다음 지점으로 이동합니다. (함수를 끝내고 호출 지점으로 돌아갑니다.)
  • cmp : 오퍼랜드 1과 2의 값을 비교합니다. (오퍼랜드 1의 값) - (오퍼랜드 2의 값)
  • jmp : 분기 (자세한 설명은 https://8jz5.tistory.com/50)
  • push : 레지스터 내부의 값을 스택에 임시 저장하고 레지스터 내부를 비웁니다.
  • pop : push된 값을 해당 레지스터로 가져옵니다. (push, pop은 후입선출을 따릅니다.)

• 함수 호출 규약

  • 함수 호출 시 매개변수는 rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 를 통해 넘어오거나 넘겨집니다.
  • 이 때 매개변수의 갯수와 관계없이 이 레지스터들에 값이 들어가 있다면 오류가 날 수 있습니다.
  • 반환값은 항상 rax에 저장됩니다.

• syscall

  • syscall 명령어를 통해 시스템 상에 미리 선언되어 있는 함수를 호출할 수 있습니다.
  • 이 때 syscall 코드는 rax에 들어 있어야 하며 반환값 또한 rax에 저장됩니다.
  • syscall 코드는 시스템 마다 다르며 맥은 https://opensource.apple.com/source/xnu/xnu-1504.3.12/bsd/kern/syscalls.master 해당 문서를 참고하십시오.
  • syscall 후 에러 발생 시 이는 __error 함수를 이용해 처리해야합니다.
  • __error 함수는 sys/errno.h 에 선언되어 있습니다.

프로그래밍

section

어셈블리의 언어는 세 부분으로 나눌 수 있다.

• Data section
  • 프로그램의 데이터 항목이 저장되는 메모리 영역을 선언하는 데 사용
  • 상수 값과 파일 이름 저장
  • 프로그램 전체에서 정적으로 유지
• Bss section
  • 나중에 프로그램에서 선언 될 데이터에 대한 버퍼를 포함하는 정적 메모리 섹션
  • 변수 선언에 사용
  • 버퍼 메모리는 0으로 채워진다.
• Text section
  • 코드 저장에 사용
• Stack
  • 프로그램의 함수 및 프로 시저에 전달 된 데이터 값을 포함하는 세그먼트

주석

; 로 사용한다.

[label] mnemonic [operands] [; comment]

add eax, ebx ; add ebx to eax

레지스터를 초기화 하는 방법

mov ax, 0	; ax에 0값을 넣는 명령아
sub ax, ax	; ax-ax 자기 자신을 뻄
xor ax, ax	; 서로 같은값을 갖을 경우 0이 되는 방식

이런 방식의 차이는 컴파일 할 때 크기가 다르다. mov는 3 ~ 4정도의 크기를 가지는 반면에 sub나 xor는 1 ~ 2 크기를 갖는다.

증감

inc rax		; rax 1증가
dec rax		; rax 1감소

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1. 태초의 프로그래밍 언어 어셈블리
2. Programming from the Ground Up
3. mac systemcall