Laborator 05: Rolul registrelor, adresare directă și bazată

În acest laborator vom aprofunda lucrul cu registre și modul în care se utilizează memoria atunci când programăm assembly pe un sistem x86 de 32 biți.

Registrele sunt principalele “unelte” cu care se scriu programele în limbaj de asamblare. Acestea sunt precum variabile construite în procesor. Utilizarea registrelor în locul adresării directe a memoriei face ca dezvoltarea și citirea programelor scrise în assembly să fie mai rapidă și mai ușoara. Singurul dezavantaj al programării în limbaj de asamblare x86 este acela că sunt puține registre.

Procesoarele x86 moderne dispun de 8 registre cu scop general a căror dimensiune este de 32 de biți. Numele registrelor sunt de natură istorică (spre exemplu: EAX era numit registru acumulator din cauza faptului că este folosit de o serie de instrucțiuni aritmetice, cum ar fi idiv). In timp ce majoritatea registrelor și-au pierdut scopul special, devenind “general purpose” în ISA-ul modern, prin convenție, 2 și-au pastrat scopul inițial: esp (stack pointer) și ebp (base pointer).

În anumite cazuri dorim să modificăm valori ce sunt reprezentate pe mai puțin de 4 octeți (spre exemplu, lucrul cu șiruri de caractere). Pentru aceste situații, procesoarele x86 ne oferă posibilitatea de a lucra cu subsectiuni de 1, respectiv 2 octeți ale registrelor EAX, EBX, ECX, EDX.

În imaginea de mai jos sunt reprezentate registrele, subregistrele și dimensiunile lor.

Declarările statice de memorie (analoage declarării variabilelor globale), în lumea x86, se fac prin intermediul unor directive de asamblare speciale. Aceste declarări se fac în secțiunea de date (regiunea .DATA). Porțiunilor de memorie declarate le pot fi atașate un nume prin intermediul unui label pentru a putea fi referite ușor mai târziu în program.

Urmăriți exemplul de mai jos:

.DATA
    var        DB 64    ; Declare a byte containing the value 64. Label the
                        ; memory location “var”.
    var2       DB ?     ; Declare an uninitialized byte labeled “var2”.
               DB 10    ; Declare an unlabeled byte initialized to 10. This
                        ; byte will reside at the memory address var2+1.
    X          DW ?     ; Declare an uninitialized two-byte word labeled “X”.
    Y          DD 3000  ; Declare 32 bits of memory starting at address “Y”
                        ; initialized to contain 3000.
    Z          DD 1,2,3 ; Declare three 4-byte words of memory starting at
                        ; address “Z”, and initialized to 1, 2, and 3,
                        ; respectively. E.g. 3 will be stored at address Z+8

Ultima declarare din exemplul de mai sus reprezintă declararea unui vector. Spre deosebire de limbajele de nivel mai înalt, unde vectorii pot avea multiple dimensiuni, iar elementele lor sunt accesate prin indici, în limbajul de asamblare vectorii sunt reprezentați ca un număr de celule ce se află intr-o zonă contiguă de memorie.

Procesoarele x86 moderne pot adresa pana la 2^32 bytes de memorie, ceea ce înseamnă că adresele de memorie sunt reprezentate pe 32 de biți. Pentru a adresa memoria, procesorul folosește adrese (implicit, fiecare label este translatat într-o adresa de memorie corespunzătoare). Pe lânga label-uri mai există și alte forme de a adresa memoria:

mov eax, [0xcafebab3]         ; direct (displacement)
mov eax, [esi]                ; register indirect (base)
mov eax, [ebp-8]              ; based (base + displacement)
mov eax, [ebx*4 + 0xdeadbeef] ; indexed (index*scale + displacement)
mov eax, [edx + ebx + 12]     ; based-indexed w/o scale (base + index + displacement)
mov eax, [edx + ebx*4 + 42]   ; based-indexed w/ scale (base + index*scale + displacement)

mov eax, [ebx-ecx]     ; Can only add register values
mov [eax+esi+edi], ebx ; At most 2 registers in address computation

În general, dimensiunea pe care este reprezentată o valoare ce este adusă din memorie poate fi inferată (dedusă) din codul instrucțiunii folosite. Spre exemplu, în cazul adresărilor de mai sus, dimensiunea valorilor putea fi inferată din dimensiunea registrului destinație, însă în anumite cazuri acest lucru nu este atât de evident. Să urmarim urmatoarea instrucțiune:

mov [ebx], 2

Dupa cum se observa, se dorește stocarea valorii 2 la adresa conținută de registrul ebx. Dimensiunea registrului este de 4 bytes. Valoarea 2 poate fi reprezentată atat pe 1 cât și pe 4 bytes. În acest caz, din moment ce ambele interpretări sunt valide, procesorul are nevoie de informații suplimentare despre cum să trateze această valoare. Acest lucru se poate face prin directivele de dimensiune:

mov byte [ebx], 2  ; Move 2 into the single byte at memory location EBX
mov word [ebx], 2  ; Move the 16-bit integer representation of 2 into the 2 bytes starting at
                       ; address EBX
mov dword [ebx], 2 ; Move the 32-bit 

În cadrul exercițiilor vom folosi arhiva de laborator.

Descărcați arhiva, decomprimați-o și accesați directorul aferent.

Parcurgeți rulați și testați codul din fișierul multiply.asm. În cadrul programului înmulțim două numere definite ca octeți. Pentru a le aputea accesa folosimo construcție de tipul byte [register].

Atunci cănd facem înmulțire procesul este următorul, așa cum este descris și aici:

1. Plasăm deînmulțitul în registrul de deînmulțit, adică:
   1. dacă facem operații pe un byte (8 biți, un octet), plasăm deînmulțitul în registrul AL;
   2. dacă facem operații pe un cuvânt (16 biți, 2 octeți, plasăm deînmulțitul în registrul AX;
   3. dacă facem operații pe un dublu cuvânt (32 de biți, 4 octeți), plasăm deînmulțitul în registrul EAX.
2. Înmulțitorul este transmis ca argument mnemonicii mul. Înmulțitorul trebuie să aibă aceeași dimensiune ca deînmulțitul.
3. Rezultatul este plasat în două registre (partea high și partea low).

Testați programul. Încercați alte valori pentru num1 și num2.

Actualizați zona marcată cu TODO în fișierul multiply.asm pentru a permite înmulțirea și a numelor de tip word și dword, adică num1_dw cu num2_dw, respectiv num1_dd și num2_dd.

Realizați un program în limbajul de asamblare care ridică un număr la puterea a treia (adică num * num * num).

Definiți numărul în formatul dword adică de forma

    num dd 10

Nu definiți un număr foarte mare, pentru a putea fi vizualizat rezultatul înmulțirii în registrul eax.

În programul sum_n.asm din arhiva laboratorului este calculată suma primelor num numere naturale.

Urmăriți codul, observați construcțiile și registrele specifice pentru lucru cu bytes. Rulați codul.

Porniți de la programul sum_n.asm și creați un program sum_n_square.asm care să calculeze suma pătratelor primelor num numere naturale.

În programul sum_array.asm din arhiva laboratorului este calculată suma elementelor unui vector (array) de octeți (bytes, reprezentare pe 8 biți).

Urmăriți codul, observați construcțiile și registrele specifice pentru lucru cu bytes. Rulați codul.

În zona marcată cu TODO din fișierul sum_array.asm completați codul pentru a realiza suma vectorilor cu elemente de tip word (16 biți) și de tip dword (32 de biți); este vorba de vectorii word_array și dword_array.

base + size * index

Pornind de la programul de la exercițiul anterior, calculați suma pătratelor elementelor dintr-un vector.

    dword_array dd 1392, 12544, 7992, 6992, 7202, 27187, 28789, 17897, 12988, 17992

Creați un program care afișează numărul de numere negative, respectiv numărul de numere pozitive dintr-un vector.

Creați un program care afișează numărul de numere pare, respectiv numărul de numere impare dintr-un vector.

Pentru testare folosiți un vector doar cu numere pozitive. Pentru numere negative trebuie să faceți extensie de semn; ar merge și fără pentru că ne interesează doar restul, dar nu am fi riguroși

Soluții de referință pentru exercițiile de laborator