subject
- 어셈블리 언어로 함수 작성하기.
subject 이해하기
-
You must write 64 bits ASM. Beware of the "calling convention".
: ISA(Instruction Set Architecture)는 명령어 종류, 피연산자 타입, 레지스터 개수, 인코딩 방법 등 여러 가지를 정의한다.
그외에 실제로 프로그램이 돌아가려면 ISA 위에 ABI(Application Binary Interface)라는 응용프로그램과 운영체제 사이의 약속도 필요하다.
함수호출규약(calling convention)이나 바이너리 포맷에 대한 규약이 대표적이다.
출처: 프로그래머가 몰랐던 멀티코어CPU 이야기- 64bit레지스터를 가진 CPU가 처리할 수 있는 어셈블리어 규칙에 맞게 작성해라.
- 함수 호출 규약은
- 인자 전달 방법,
- 인자 전달 순서,
- Stack Frame을 정리하는 방법 에 따라 그 종류를 구분 한다.
- C언어에서는
cdecl규칙을 따른다.참조 - 함수 호출 규약에서 추가적으로 신경써야하는 부분은 CPU사양(32bit, 64bit)과 운영체제에 따라 함수 처리시 활용되는 레지스터의 차이가 있다는 점이다.
- 즉, CPU가 일하면서 쓰는 레지스터의 수나 명칭 등등이 다르다.
-
You can’t do inline ASM, you must do ’.s’ files.
- 인라인 ASM?(인라인 어셈블러)
- C프로그램 안에 어셈블러 명령어를 삽입하는 것.
- 인라인 어셈블러로 속도향상 및 메모리절약할 수 있다.
- 참조
s확장자는 어셈블리코드를 나타내는 확장자gcc -S main.c하면 main.s가 어셈블리코드로 만들어짐.- S옵션 의미
- 인라인 ASM?(인라인 어셈블러)
// https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Overall-Options.html#Overall-Options
-S
Stop after the stage of compilation proper; do not assemble. The output is in the form of an assembler code file for each non-assembler input file specified.
By default, the assembler file name for a source file is made by replacing the suffix ‘.c’, ‘.i’, etc., with ‘.s’.
Input files that don’t require compilation are ignored.
- You must compile your assembly code with nasm.
- nasm이란 어셈블러이자 역어셈블러이다.
- 어셈블러 = 어셈블리어를 기계어(이진코드)로 바꿔줌
- 역어셈블러 = 기계어를 어셈블리어로 바꿔줌
- 위키
- You must use the Intel syntax, not the AT&T.
- AT & T와 Intel의 차이점은 어셈블리어를 표현하는 문법의 차이이다.
- Intel문법을 사용하란 소리.
- 64bit 레지스터를 가진 CPU가 처리할 수 있는 어셈블리어를 intel문법으로 작성하여라.
- 이 때 함수 호출 규칙을 지켜야 한다. c언어에 맞는 호출 규칙을 지키자.
- 함수가 실행되면서 처리되는 레지스터는, 42환경에 맞춰야겠지?(macOS, 64bit)
어셈블리어 이해하기
기계어 ?
기계어 정의
- cpu가 바로 해독할 수 있는 유일한 언어.
- 모든 프로그래밍 언어는 기계어로 해석되어야 비로소 수행할 수 있다.
- 비트 단위로 표현하기 때문에 0과 1로만 표현한다.
엄밀히 말하면 특정한 언어가 아니다 ??
- 단지 cpu또는 mpu제조사에서 cpu를 만들어 낼 때 해당 cpu에서 사용하는 명령어 집합을 공개하는데, 이것을 '기계어'라고 부를 뿐이다.
- 따라서 cpu 종류, 아키텍처에 따라 같은 동작을 수행하는 코드라도 완전히 다른 0과 1이 나열 될 수 있기 때문에 이식성은 좋지않다.
- 이러한 문제를 커버하기 위한 것이
어셈블리어이다.
어셈블리 언어(assembly language)
- 모든 기계어와 1:1 대응이되는 컴퓨터 프로그래밍 언어.
- 즉, 컴퓨터 프로그래밍에서 기계어는 대부분 어셈블리어를 거쳐 짜여진다.
- 어셈블리어가 없었을 때는 직접 기계어를 입력하여 프로그램을 작성하기도 했다.. (ㄷㄷㄷ..)
- 프로그래밍 언어 중 가장 low한 레벨의 언어이다. (low하다 => 컴퓨터와 가깝다.)
High Level Languages
- 그러나, 어셈블리어도 아직은 이해하기 어려운 부분이 많다. 그래서 생산성을 높이기위해 이해하기 쉬운 프로그래밍 언어들이 개발되었다.
- 이해하기 쉽게만드려면, 추상화 수준을 높여야 한다.
- 즉, 특정 기능을 수행하기 위한 코드하나에 함축적인 의미(내부적으로 처리되는 코드)가 늘어난다는 의미이다.
- 추상화를 높인 한 줄의 코드에는 수천만개 이상의 기계어 코드가 함축되어 있을 수 있다.
- Higher level and lower level languages
어셈블리 작성하기.
어셈블리 코드 기본문법
- 어셈블리 코드는 섹션을 나누어 작성한다.
(ex. section.data, section.bss ... )- data
- 초기화 데이터 및 상수 선언하코드
- 런타임에 변경되지 않는다.
- 다양한 상수 값, 파일 이름 또는 버퍼 크기 등을 선언 가능.
- bss
- 변수 선언에 사용
- text
- 실제 코드를 유지하기위해 사용.
- 프로그램 실행이 시작되는 곳을 커널에 알려주는
global _start선언으로 시작해야 함.
- data
section.text
global _start
_start:
- 주석은 세미콜론(;) 뒤에 작성
- 구문
- 어셈블리 코드는 한 줄에 하나씩 입력된다. 각 문은 다음 형식을 따름.
[label] mnemonic [operands] [;comment]
- 구문 설명
- 대괄호는 선택
- 기본은 두 부분으로 구성.
- 첫 번째는 실행될 명령어 (또는 니모닉)의 이름
- 두 번째는 명령의 피연산자 또는 매개 변수.
- 기본구문 예시
INC COUNT ; Increment the memory variable COUNT
MOV TOTAL, 48 ; Transfer the value 48 in the
; memory variable TOTAL
ADD AH, BH ; Add the content of the
; BH register into the AH register
AND MASK1, 128 ; Perform AND operation on the
; variable MASK1 and 128
ADD MARKS, 10 ; Add 10 to the variable MARKS
MOV AL, 10 ; Transfer the value 10 to the AL registerintel 문법
구문
- 매개변수 순서
- destination이 먼저, source가 나중에
명령어 dest source
- destination이 먼저, source가 나중에
- 매개변수 크기
- 접미사, 접두사 규칙
- 대체로 접두사, 접미사가 붙지않음
- 16진수와 2진수에 'h'와 'b'접두사를 가짐.
- 참조
- 메모리 주소
[]로 표현
어셈블리 명령어
- x86 instruction
- push [reg] => register의 값을 stack에 저장.
- pop [reg] => stack의 값을 pop하여 register에 저장.
어셈블리 코드에 사용되는 레지스터
- x86 아키텍처 Register - 32bit 기준 설명
- 범용 레지스터 기본구성
- x86-64 아키텍처 Registers - 64bit 기준 설명
- 범용레지스터가 32bit와 어떻게 다른지?
- 구성은 동일함. but 접두사 R을 붙여 구분.(64bit)
- 접두사(E)를 붙이면 32bit레지스터로, 안 붙이면 16bit로 접근
- 64bit에서는 사용하는 레지스터가 더 많다.
r8 ~ r15 - Usage during syscall/function call
- 링크에 기재된 레지스터가 활용되는 규약(?)이다. 숙지하기.
- First six arguments are in rdi, rsi, rdx, rcx, r8d, r9d; remaining arguments are on the stack.
- For syscalls, the syscall number is in rax.Return value is in rax.
- The called routine is expected to preserve rsp,rbp, rbx, r12, r13, r14, and r15 but may trample any other registers
- 범용레지스터가 32bit와 어떻게 다른지?
x86 Assembly Tutorial
예시
- 기본문법만 사용한 예제. Hellow World 찍기
- 여기서
_start:가 기본의 [label]에 해당 함. [label]:하위 전체 코드가 포인터가 된다.
- 여기서
; ----------------------------------------------------------------------------------------
; Writes "Hello, World" to the console using only system calls. Runs on 64-bit macOS only.
; To assemble and run:
;
; nasm -fmacho64 hello.asm && ld hello.o && ./a.out
; ----------------------------------------------------------------------------------------
global start
section .text
start: mov rax, 0x02000004 ; system call for write
mov rdi, 1 ; file handle 1 is stdout
mov rsi, message ; address of string to output
mov rdx, 13 ; number of bytes
syscall ; invoke operating system to do the write
mov rax, 0x02000001 ; system call for exit
xor rdi, rdi ; exit code 0
syscall ; invoke operating system to exit
section .data
message: db "Hello, World", 10 ; note the newline at the end
| instruction | operand | 설명 |
|---|---|---|
| mov | rax, 0x02000004 | rax레지스터에 write함수를 호출하는 syscall번호(0x02000004) 저장 |
| mov | rdi, 1 | rdi레지스터에 첫번째 인자 값1(표준 출력)을 저장. write(1, ?, ?) 상태. rdi인 이유는 아키텍처에서 파라미터를 저장하는 순서가 rdi부터이기 때문 |
| mov | rsi, message | 2번째 인자를 rsi에 저장. message는 data section에 선언 및 정의 됨. 즉, write(1, message, ?) 상태 |
| mov | rdx, 13 | 3번째 인자를 rdx에 저장. 정수 13은 문자열 크기. 즉, write(1, message, 13)을 호출할 수 있음. |
| syscall | rax에서 호출할 함수를 가져온다(write). 필요한 인자 값은 저장한 레지스터 순서대로 가져온다. (가져오면서, 해당 레지스터의 값은 pop되겠지?) | |
| mov | rax, 0x02000001 | rax레지스터에 exit함수를 호출하는 syscall번호 저장. |
| xor | rdi, rdi | rdi레지스터에 exit함수의 첫번째 인자 값을 저장. rdi <- rdi xor rdi 가 된다. xor연산자이기 때문에 항상 0의 값을 가진다.근데 왜 구지 xor썻는진 몰겠다.. 쨋든 exit(0)은 정상종료 의미. |
| syscall | rax에서 호출할 함수를 가져온다.(exit) 역시 동일하게 인자값이 필요하면 레지스터에 저장하는 순서대로 가져오면 된다. (0)을 rdi에 저장해주었으니 잘 가져 올 것이다. | |
| message | 변수 | db는 declare Byte의미 -참조 , 10은 아스키코드 개행문자(line feed)를 의미한다. message 변수는 "Hello, World" 뒤에 개행(10)을 붙여서 해석될 것이다. |
궁금증
그냥 컴파일러로 만들 수 있지 않나?
- 그러면, compiler로 64bit intel문법 어셈블리코드 만들면 끝 아닌가?
- subject에서 요구하는 스펙(64비트, intel)으로 컴파일 하는 방법을... 못찾겠네 ?
- gcc로 어셈블리코드 만드는 옵션은
-S - 그냥 -S해서나온 어셈블리코드는 무슨문법이지 ? (어떤 이유로 그 문법으로 컴파일 한거지?)
- 지금 쓰고있는 컴파일러 옵션 따라가는 듯.. 어디서 하는진 못찾음 ㅡ..ㅡ
- 현재 내 컴퓨터(Mac)에서는 clang/llvm 컴파일러 따라 컴파일 됨.참조
- 그럼 64비트 intel문법 어셈블리 코드로 컴파일 하는 옵션 찾아봐야지..
- 못찾겠네 ㅡ..ㅡ 안되는것같은데..
- 링크 여기 있는대로 해도 안됨...... 옵션은 먹는데 그냥 -S랑 똑같네
- 해당 포스팅을 보니깐, 디버거로 가능한 것 같다.
레지스터의 실체
push ebp의 의미?
- push는 stack에 쌓는 명령어, 여기서 스택에 쌓인다는 의미는...?
- 메인메모리(RAM)의 Stack영역에 데이터가 쌓인다.
- CPU 레지스터의 값을 -> RAM으로 저장한다.
- 그렇다면.. ebp를 쌓는다는건 무슨의미일까....
=> indirect모드로 base point의 주소 값을 push. - ebp(base point)의 값을 push하는 이유는 ??
=> 함수가 종료된 후, SP가 복귀할 위치를 지정하기 위함.- 참조1, 참조2
- 참조3 뇌를 자극하는 윈도우즈 시스템 프로그래밍 / p.105~ 126, p.319~ 331 / 윤성우 저자
- 함수 호출 시, 매개변수와 지역변수를 사용하기 위한 메모리 공간이 할당되고, 함수 종료시 사용한 메모리 공간을 반환해야 한다.
- 스택프레임에
이전 함수가 호출된 시작 위치를 저장한다. - 함수가 종료되면, 사용한 메모리만큼 더하기(혹은 빼기)연산을 하는 것이아니라,
레지스터에 저장 된 위치로 한방에 복귀한다.
=> 즉, 현재 SP를 최근 함수호출 전 위치로 복귀 시키는 것. - main -> fn1() -> fn2() 이런식으로 함수가 호출된다면
최초 ebp레지스터에는, main함수가 호출 된 위치가 기록된다.- fn1() 호출 전
push ebp=> stack에 main시작위치 저장. - 다음
mov ebp, esp해준다.- 즉, ebp에 현재 위치를 저장해준다.
- 다음 fn2() 호출 전
push ebp=> stack에 fn1()이 호출된 메모리 주소를 저장. - 또 다시
mov ebp, esp해준다. - 만약 fn(2)함수가 종료되었다면 ???
mov esp, ebp=> 현재 sp값을 fn2() 호출한 위치로 변경pop ebp=> stack의 값을 pop해서 ebp에 넣어준다.- 즉, fn1()함수의 시작위치가 ebp에 담겨지게 된다.
- 반복
___error 처리
문제점
M1 맥북에서 사용하기
참조 - 해당 링크 덕분에 답을 찾을 수 있었다..
- M1칩의 아키텍처는 ARM기반이다. 따라서 gcc로 컴파일 수행시 생성되는 목적파일들은 ARM아키텍처로 생성되고 있다.
- libasm과제에서 요구하는 인텔 문법의 어셈블리어는 x86아키텍처를 기반으로 한다.
- 즉, 과제에서 요구하는 어셈블리어를 처리할 수 있는 CPU아키텍처에 맞춰야 한다.
- 근본적인 하드웨어(cpu)의 아키텍처가 다른데.. m1맥북에서 x86 아키텍처로 실행시킬 수 있나?
- 로제타(Rosetta)라는 맥 OS X의 에뮬레이터가 있기 때문에 가능하다.
- 방법은
arch x86_64 [명령어]와 같이 사용하면 된다.- 또한 실행파일이 어떠한 아키텍처 구조인지 명령어로 확인할 수도 있다.
lipo -archs 실행파일명
문제 해결과정
- 목표 : 어셈블리 코드로 ft_strlen.s작성, c코드로 main.c 작성한 후 main에서 ft_strlen을 호출하기.
- 처음에 intel문법에 맞추어 ft_strle.s를 작성 후 nasm으로 목적파일 생성.
nasm -f macho64 ft_strlen.s - test를위해 main.c를 만들고,
gcc -c main하여 목적파일 생성. - gcc명령어로 두 목적파일을 링크하기 위해
gcc *.o수행
- 아래 error 발생..
ld: warning: ignoring file ft_strlen.o, building for macOS-arm64 but attempting to link with file built for unknown-x86_64
Undefined symbols for architecture arm64:
"_ft_strlen", referenced from:
_main in main.o
ld: symbol(s) not found for architecture arm64
clang: error: linker command failed with exit code 1 (use -v to see invocation)- 두 목적파일의 아키텍처 확인 결과 다름..
- main.c를
x86_64아키텍처로 생성.
arch -x86_64 gcc -c main.c
x86_64아키텍처의 실행파일 생성
arch -x86_64 gcc *.o- 결과 확인
참조
- 링커 옵션
- 아래걸로주니깐 되긴하네 ?
ld hello.o -o hello -macosx_version_min 11.0 -L /Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX.sdk/usr/lib -lSystem