Technische Informatik I
x86 Maschinensprache + Assembler

• Computer werden durch Programme gesteuert, die aus Befehlen in Maschinensprache bestehen (wie aus dem vorangegangenen Kapitel bekannt)
• Diese Befehle liegen im Hauptspeicher und werden nacheinander abgearbeitet
• Die Maschinensprache wird vom Hersteller einer CPU definiert und kann vom Programmierer nicht verändert werden
• Der Hersteller legt fest, welcher Zahlencode im Speicher welchem Maschinensprachebefehl entspricht
  
• Damit ist ein Programm in Maschinensprache immer nur auf einer bestimmten CPU bzw. auf den untereinander kompatiblen CPUs einer Prozessorfamilie lauffähig

• Eine Maschinensprache ist die Menge von Befehlen, die einem Programmierer für eine konkrete CPU zur Verfügung steht
• Diese Befehle werden normalerweise in der Praxis nicht direkt durch ihren Zahlencode eingegeben, sondern in einer Assemblersprache (auch "Assembler" genannt)
• Eine Assemblersprache ist einer lesbare Art, Programme in Maschinensprache zu formulieren
• Die lesbare Variante eines Maschinenbefehls in Assemblersprache wird Mnemonik genannt
• So wird z.B. für den Sprungbefehl die Mnemonik jmp verwendet (für engl. "jump");
• Es gibt somit eine eineindeutige Abbildung zwischen Maschinensprache und Assemblersprache
  • Ein Assemblierer ist ein Übersetzer von Assemblersprache in Maschinensprache
  • Ein Disassemblierer ist ein Übersetzer von Maschinensprache in Assemblersprache

• Softwareentwicklung findet heutzutage typischerweise in einer höheren Programmiersprache statt (z.B. C, C++, Fortran, Pascal, ...)
• Um ein in einer höheren Programmiersprache geschriebenes Programm ausführen zu können, muss dies jedoch letztendlich durch einen Compiler in eine äquivalente Folge von Maschinenbefehlen übersetzt werden
• Beim Kompilieren kann angegeben werden für welchen CPU Typ der Maschinencode erzeugt werden soll
• Daher kann ein Programm in Hochsprache im Gegensatz zu einem Assemblerprogramm leicht auf andere Hardware angepasst werden

• Früher wurden viele Programme in Assembler erstellt
• Heute ist mit der schnelleren Hardware die Bedeutung von Maschinensprache zurückgedrängt worden
• Softwareentwicklung findet typischerweise in einer höheren Programmiersprache statt
• Bei sehr zeitkritischen Funktionen innerhalb eines Programms wird jedoch weiterhin Maschinensprache in Form von Inline-Assembler verwendet
• Der Compiler optimiert nur den Teil, der in der Hochsprache geschrieben ist, der Assemblerteil wird direkt in die Maschinensprache übertragen

• Zur Erstellung vom x86 Assembler stehen verschiedene Werkzeuge zur Auswahl:
  • Microsoft Macro Assembler (MASM) ist ein verbreiteter Assembler für MS-DOS und Windows
  • MASM32 ist eine freie Variante von MASM
  • Turbo Assembler (TASM) ist ein Assembler von Borland für das Betriebssystem MS-DOS
  • NASM ("Netwide Assembler") ist ein beliebter Assembler, der für verschiedene Betriebssysteme (DOS, Windows, Unix) verwendet werden kann. Es gibt sogar Online-Dienste bei denen ohne Installation auf dem eigenen Rechner mit NASM experimentiert werden kann:
    https://www.jdoodle.com, https://onecompiler.com,
• Diese Werkzeuge unterscheiden sich natürlich nicht in den Maschinenbefehlen (diese sind durch die x86 Prozessorfamilie vorgegeben) sondern lediglich in der Art der Darstellung und durch unterschiedliche Makros, die die Arbeit erleichtern sollen

• In dieser Vorlesung werden die gezeigten Maschinensprache-Beispiele in Form von Inline-Assembler innerhalb eines C/C++-Programms vorgestellt
• Als Entwicklungsumgebung wird Microsoft Visual Studio verwendet
• Vorteile:
  • Inline-Assembler wird in der Praxis gerne verwendet, da niemand größere Projekte komplett in Assembler entwickeln möchte
  • Auf Symbole und Variablen des C/C++-Programms kann direkt innerhalb des Assembler-Codes zugegriffen werden
  • Die Syntax ist verhältnismäßig einfach
  • Microsoft Visual Studio hat einen integrierten Debugger
  • Auch Registerinhalte, Speicher etc. lassen sich komfortabel anzeigen
  • Visual Studio ist auf jedem Windows-Rechner im Fachbereich installiert
  • Microsoft Visual Studio (Community Version) steht kostenfrei zur Verfügung: Download
• Nachteil:
  • Plattformabhängigkeit: Für die Verwendung mit anderen Assemblern muss die Syntax entsprechend angepasst werden

• Beispiel:

#include <stdio.h> // includes "printf" command ;

int add(int varA, int varB ) {
   // inline assembler starts here
   __asm {
      mov eax, varA   ; // move first argument to EAX register
      mov ecx, varB   ; // move second argument to ECX register
      add eax, ecx    ; // EAX = EAX + ECX
   }
}

int main() {
  int result = add(1, 2);    // call C-function "add"
  printf( "1 + 2 = %d\n", result); // output result to console
  return 0;
}

• Quelldatei: main.cpp
• Projekt für MS Visual Studio: VS2012, VS2013 VS2015 VS2017 VS2019 VS2022
• Diese Projektdateien können für alle folgenden Beispiele wiederverwendet werden, indem jeweils die Quelldatei "main.cpp" ersetzt wird

• Verwendung vom Microsoft Visual Studio:
  • Erstellen des Projekts: F7
  • Ausführen: CTRL+F5
  • Debuggen starten: F5
  • Debuggen Einzelschritt: F11
  • Debuggen Prozedurschritt: F10
  • Breakpoint setzen/entfernen: in die Leiste neben dem Quellcode klicken
  • Anzeigen von Registern:
    Menü → Debuggen→ Fenster→ Register
  • Anzeigen von Arbeitsspeicher:
    Menü→ Debuggen→ Fenster→ Arbeitsspeicher

• Unter Linux ist die Verwendung von Microsoft Visual Studio nicht möglich. Als Alternative zum Kompilieren der bereitgestellen Beispiele kann der Intel C and C++ Compiler mit der Option -use-msasm verwendet werden
  In einer Shell:
  

  > icc -use-msasm -o my_program main.cpp 

• Der Intel Compiler steht Studenten kostenfrei zur Verfügung: Download
• Eine weitere Möglichkeit sind Online-Dienste, bei denen ohne Installation auf dem eigenen Rechner mit dem Microsoft Compiler experimentiert werden kann:
  • https://gcc.godbolt.org
  • Als Compiler "x86 msvc (WINE)" auswählen
• Diese Alternativen haben jedoch keinen integrierten Debugger und werden daher nur bedingt empfohlen
• Microsoft Visual Studio ist auf jedem Windows-Rechner im Fachbereich installiert

• Die ersten x86-Prozessoren (8088, 8086 und 80286) waren 16-Bit Prozessoren
• Sie hatten 14 Register (orange gekennzeichnet in Abb.)
  • 8 Allzweckregister, die jedoch jeweils auch noch eine Sonderfunktion hatten
  • 4 Segment Register
  • 1 Befehlszähler
  • 1 Flagregister
• Das niederwertige Byte (Low Byte) bzw. höherwertige Byte (High Byte) der Register AX, BX, CX und DX sind als 8-Bit Register gesondert ansprechbar (z.B. AX besteht aus AL und AH)
• Seit dem 80386 wird mit 32-Bit breiten Registern gearbeitet
• Die bestehenden Register wurden erweitert (gelb gekennzeichnet) und können als EAX, EBX, usw. angesprochen werden
• Die 16-Bit Teile der Register sind weiterhin ansprechbar. Neuerungen in der x86-Architektur waren bisher immer abwärts-kompatibel, d.h. neuere Prozessoren können ältere Programme immer noch ausführen
• Spätere x86-Prozessoren haben weitere Register eingeführt (MMX-Register, SSD-Register, usw.) diese werden zunächst hier nicht weiter betrachtet

• Die Allzweckregister haben jeweils noch eine Sonderfunktion:

  Register	Sonderfunktion	Erklärung
  AX	Akkumulator	Ziel für Rechenoperationen
  BX	Base	Zeiger für Zugriffe auf Speicher
  CX	Counter	Zähler in Schleifen
  DX	Data	Datenregister
  SI	Source Index	Quellindex für Verarbeitung von Zeichenketten
  DI	Destination Index	Zielindex für Verarbeitung von Zeichenketten
  BP	Base Pointer	Anfangsadresse des Stapelsegments
  SP	Stack Pointer	Stapelzeiger

• Das Flagregister ändert sich nach arithmetischen Operationen
• Es dient dazu, die Situationen nach der Durchführung einer ALU-Operation anzuzeigen
• Es ist eigentlich ein Ausgaberegister, dennoch kann es auf dem Umweg über den später zu besprechenden Stack gezielt verändert werden
• Von den 16 bzw. 32 Bits des Flag-Registers sind nur 8 für uns interessant:
  • Die Flags CY, AC, OV, PL, ZR, PE beziehen sich immer auf das Ergebnis einer gerade durchgeführten Operation
  • Die Flags UP, EI dienen als Schalter. Sie bleiben unverändert, bis man sie durch Spezialbefehle verändert

• Die Segmentregister werden später bei der Adressierung des Speichers eine Rolle spielen:

  Register	Funktion	Erklärung
  CS	Code Segment	Anfangsadresse des Code-Segments
  DS	Data Segment	Anfangsadresse des Daten-Segments
  SS	Stack Segment	Anfangsadresse des Stack-Segments
  ES	Extra Segment	keine besondere Funktion
  FS		keine besondere Funktion
  GS		keine besondere Funktion

• In Assembler wird je ein Befehl pro Zeile geschrieben
• Dabei hat ein Assemblerbefehl die Form:

  [Label] [Operation] [Operanden] [;Kommentar]

• Die eckigen Klammern sollen andeuten, dass diese Komponente optional ist, d.h. es ist auch eine leere Zeile möglich
• Zwischen Groß- und Kleinschreibung wird nicht unterschieden (außer wenn im Inline-Assembler auf C/C++ Variablen zugegriffen wird)
• Leerzeichen zwischen den Komponenten werden ignoriert
• Bei einem Semikolon beginnt ein Kommentar, der sich bis zum Zeilenende erstreckt
• Alternativ kann ein Kommentar in MS Visual Studio auch mit den in C/C++ üblichen doppelten Schrägstrichen "//" gekennzeichnet werden

• Viele Assemblerbefehle haben die Form:

  op ziel, quelle

  • Dies bedeutet, dass die Operanden Ziel und Quelle mit der Operation op verknüpft werden
  • Das Ergebnis wird in Ziel gespeichert
  • In Java bzw. C/C++ entspräche dies demnach: Ziel = Ziel op Quelle;
  • Ziel kann ein Register oder eine Speicheradresse sein
  • Quelle kann ein Register, eine Speicheradresse oder ein konstanter Zahlenwert sein
  • Die verknüpften Operanden müssen in ihrer Bitbreite zueinander passen
• Beispiele:

  mov eax, ecx   ; eax = ecx
  sub ax, cx     ; ax = ax - cx
  add cx, ax     ; cx = cx + ax
  

• Einer der meist verwendeten Befehle ist der Move-Befehl:

  mov ziel, quelle

• Dabei werden die Daten aus der Quelle zum Ziel kopiert
• Ziel kann ein Register oder eine Speicheradresse sein
• Quelle kann ein Register, eine Speicheradresse oder eine Kontante sein
• Einschränkungen:
  • Es können nicht beide Operanden Speicheradressen sein
  • Es können nicht beide Operanden Segmentregister sein
  • Konstanten können nicht direkt in Segmentregister geschrieben werden

• Beispiele für den Move-Befehl:

  int main() {
    int varA = 6;
    int varB = 7;
    __asm {
      mov eax, 10h        ; // move the hex value 10 to EAX
      mov eax, 10         ; // move the decimal value 10 to EAX
      mov eax, 010        ; // move the octal value 10 to EAX
      mov ecx, eax        ; // move EAX register to ECX register
      //mov  fs, ds       ; // does not work
      //mov  ax,  ds      ; // this works instead: (but segment registers
      //mov  fs,  ax      ; // should not be modified)
      mov eax, 11111111h  ; // EAX = 11111111h;
      mov ax, 3333h       ; // EAX = 11113333h;
      //mov  varA, varB   ; // does not work
      mov  eax, varB      ; // this works instead:
      mov  varA, eax     
    }
    return 0;
  }
  

• Quelldatei: main.cpp

• Der Befehl add führt eine Addition aus:

  add ziel, quelle

• Beispiele für den Add-Befehl (Quelldatei: main.cpp):

  #include <stdio.h>
  int main() {
    int varA = 6, varB = 7;
    __asm {
      //add varA, varB      ; // does not work
      mov eax, varB         ; // this works instead:
      add varA, eax         ; //
    }
    printf("varA = %d\n", varA);
    __asm {
      mov eax, 21         
      mov edx, 24
      add eax, edx
      mov varA, eax
    }
    printf("varA = %d\n", varA);
    return 0;
  }

• Arithmetische Operationen, wie z.B. der Befehl add, verändern das Flagregister
• Der Prozessor weiß nicht, ob der Inhalte eines Registers als vorzeichenlose Zahl (unsigned) oder als vorzeichenbehaftete ganze Zahl in Zweierkomplement-Darstellung interpretiert werden muss
• Die Operation wird einfach ausgeführt und die Flags gesetzt. Die Interpretation der Flags ist Sache des Programmierers
• Nicht alle Befehle beeinflussen alle Flags, so dass auch später noch durch eine frühere Operation erzeugte Flags ablesbar sind
• Der Befehl add beeinflusst: OV,PL,ZR,AC, PE und CY

• Beispiele (Quelldatei: main.cpp):

  int main() {
    __asm
    {
      mov eax, 00000000h    
      mov ecx, 00000000h   
      add eax, ecx    ; // EAX=0;        Flags: OV=0 PL=0 ZR=1 AC=0 PE=1 CY=0 
      mov eax, 00000000h    
      mov ecx, 00000001h   
      add eax, ecx    ; // EAX=1;        Flags: OV=0 PL=0 ZR=0 AC=0 PE=0 CY=0
      mov eax, 00000001h    
      mov ecx, 0000000Fh   
      add eax, ecx    ; // EAX=10;       Flags: OV=0 PL=0 ZR=0 AC=1 PE=0 CY=0
      mov eax, 00000000h    
      mov ecx, 7FFFFFFFh   
      add eax, ecx    ; // EAX=7FFFFFFF; Flags: OV=0 PL=0 ZR=0 AC=0 PE=1 CY=0
      mov eax, 00000001h    
      mov ecx, 7FFFFFFFh    
      add eax, ecx    ; // EAX=80000000; Flags: OV=1 PL=1 ZR=0 AC=1 PE=1 CY=0
      mov eax, 00000001h    
      mov ecx, -2     ; // ECX=FFFFFFFE; (Two's complement)  
      add eax, ecx    ; // EAX=FFFFFFFF; Flags: OV=0 PL=1 ZR=0 AC=0 PE=1 CY=0
      mov eax, 00000001h  
      mov ecx, -1     ; // ECX=FFFFFFFF; 
      add eax, ecx    ; // EAX=00000000; Flags: OV=0 PL=0 ZR=1 AC=1 PE=1 CY=1
    }
    return 0;
  }

• Frage: Was ist das Ergebnis folgender Assemblerbefehle?
  
  

  mov eax, 00000002h    
  mov ecx, 7FFFFFFEh    
  add eax, ecx   
  

  • Antwort 1: EAX=FFFFFFFF; Flags: OV=0 PL=1 ZR=0 AC=1 PE=0 CY=0
  • Antwort 2: EAX=80000000; Flags: OV=1 PL=1 ZR=0 AC=1 PE=1 CY=0
  • Antwort 3: EAX=80000000; Flags: OV=0 PL=0 ZR=1 AC=1 PE=0 CY=1

    mov al, -3   ; // AL=FDh; 
    mov cl, -1   ; // CL=FFh; 
    add al, cl   ; // AL=FCh; Flags: OV=0 PL=1 ZR=0 AC=1 PE=1 CY=1 
    mov al, 253  ; // AL=FDh;  
    mov cl, 255  ; // CL=FFh; 
    add al, cl   ; // AL=FCh; Flags: OV=0 PL=1 ZR=0 AC=1 PE=1 CY=1 

• In diesem Beispiel (Quelldatei: main.cpp) werden zweimal exakt die gleichen Operationen ausgeführt
• Der Assembler übersetzt -3 und 253 in das gleiche Bitmuster: 11111101 = FDh
• Der Assembler übersetzt -1 und 255 in das gleiche Bitmuster: 11111111 = FFh
• Nach der Addition ist in beiden Fällen das Ergebnis FCh=252 und Overflow=0 Carry=1
• Interpretation als Addition von vorzeichenlosen Zahlen:
  • Das gesetzte Carry zeigt, dass das Ergebnis 252 falsch ist: 253+255=508
• Interpretation als Addition von vorzeichenbehafteten Zahlen im Zweierkomplement:
  • Das nicht gesetzte Overflow zeigt, dass das Ergebnis FCh=-4 richtig ist: -3 + -1 =-4
• Erkenntnis: Für die richtige Interpretation sind die Flags wichtig

• Um die Addition 253+255=508 doch richtig auszuführen, gibt es zwei Möglichkeiten
  • Ein größeres Register verwenden

    mov eax, 253  
    mov ecx, 255  
    add eax, ecx   ; // EAX=000001FC; Flags: OV=0 PL=0 ZR=0 AC=1 PE=1 CY=0

  • Den Befehl adc verwenden, der genau wie der add Befehl arbeitet, jedoch zusätzlich das Carry-Bit hinzuaddiert

    mov al, 253    ; // AL=FDh;  
    mov cl, 255    ; // CL=FFh;
    mov ah, 0      ; // AH=0h;
    add al, cl     ; // AL=FCh; AH=0h; Flags: OV=0 PL=1 ZR=0 AC=1 PE=1 CY=1
    adc ah, 0      ; // AL=FCh; AH=1h; Flags: OV=0 PL=0 ZR=0 AC=0 PE=0 CY=0
    // AX=01FCh 

• Der Befehl sub führt eine Subtraktion aus:

  sub ziel, quelle

• Der Befehl beeinflusst die gleichen Register, wie der Add-Befehl: OV,PL,ZR,AC, PE und CY
• Bei x86 wird das Carry CY gesetzt, wenn $($ziel $<$ quelle$)$ (bei Interpretation als vorzeichenlose Zahl). Das Carry erfüllt dann die Funktion eines Borrow.
• Bei vorzeichenbehafteten Zahlen ist wieder nur das Overflow-Flag OV relevant
• Eine Subtraktion kann hardwaretechnische durch eine Addtionen von quelle und dem Zweierkomplement von ziel implementiert werden, also $a - b = a + (-b)$ (siehe Kapitel Arithmetik Schaltungen )
  • Dies funktioniert sofort perfekt bei Interpretation der Operanden als vorzeichenbehaftete Zahl
  • Bei der Interpretation als vorzeichenlose Zahl wird allerdings das Carry von der gezeigten Harwareschaltung gesetzt, wenn $($ziel $\ge$ quelle$)$. Für den x86-sub Befehl, müsst das Carry der Harwareschaltung demnach invertiert werden

• Beispiel für den sub-Befehl (Quelldatei: main.cpp):

  int main() {
    __asm {
      mov al, 2      ; // AL=02h;
      mov bl, -1     ; // BL=FFh;
      sub al, bl     ; // AL=03h; Flags: OV=0 PL=0 ZR=0 AC=1 PE=1 CY=1
      mov al, 2      ; // AL=02h;
      sub al, 255    ; // AL=03h; Flags: OV=0 PL=0 ZR=0 AC=1 PE=1 CY=1
    }
    return 0;
  }
  

• Kontrollrechnung mit dem Zweierkomplement (Carry CY wird invertiert):
  \begin{aligned} 00000010&&(2)\\ - 11111111&&(-1) \,\, \mbox{bzw.} \,\, (255)\\ {\scriptsize\downarrow} \quad \quad \\ 00000010&&(2)\\ + 00000001&& \mbox{Zweierkomplement}\\ \hline 00000011&& (3) \end{aligned}

• Der Befehl sbb steht für engl. "subtract with borrow", d.h. es wird eine Subtraktion ausgeführt und zusätzlich das Carry subtrahiert
• Beispiel für den sbb-Befehl (Quelldatei: main.cpp):

  int main() {
    __asm {
      // 
      mov ax, 800    ; // AX=320h; AL=20h
      mov cl, 34     ; // CL=22h;
      sub al, cl     ; // AL=FEh=-2; Flags: OV=0 PL=1 ZR=0 AC=1 PE=0 CY=1
      sbb ah, 0      ; // AH=02h;    Flags: OV=0 PL=0 ZR=0 AC=0 PE=0 CY=0
      // AX=2FE=766
    }
    return 0;
  }
  

• Der Befehl sub kann verwendet werden, um zwei Operanden zu vergleichen

• sub operandA, operandB

• Ist es so einfach?
  • Zero-Flag=0, Sign-Flag=1 bedeutet operandA < operandB
  • Zero-Flag=1, Sign-Flag=0 bedeutet operandA = operandB
  • Zero-Flag=0, Sign-Flag=0 bedeutet operandA > operandB

• Nein, es kommt darauf an, ob es sich um eine vorzeichenlose oder vorzeichenbehaftete Zahl handelt. Beispiel:
  • Ist der Hex-Wert 2h kleiner oder großer als FFh?
  • Wenn vorzeichenlos: 2h=2, FFh=255 → Ergebnis: kleiner
  • Wenn vorzeichenbehaftet: 2h=2, FFh=-1 → Ergebnis: größer
• Daher werden zwei verschiedene Größenvergleiche eingeführt:
  • Wenn vorzeichenlos: "above" und "below"
  • Wenn vorzeichenbehaftet: "greater" und "less"

sub operandA, operandB

• Vorzeichenlose Zahlen: "above" und "below"

  Aussage	Bedingung
  operandA below operandB	CY=1
  operandA equal operandB	ZR=1
  operandA above operandB	CY=0

• Vorzeichenbehaftete Zahlen: "less" und "greater"

  Aussage	Bedingung
  operandA less operandB	PL ≠ OV
  operandA equal operandB	ZR=1
  operandA greater operandB	PL = OV

sub operandA, operandB

• Vorzeichenlose Zahlen: "above" und "below"

  Aussage	Bedingung
  operandA below operandB	CY=1
  operandA equal operandB	ZR=1
  operandA above operandB	CY=0

• Erklärung:
  • Beim sub Befehl wird das Carry als Borrow verwendet
  • Ein Borrow wird nur benötigt, wenn operandA kleiner als operandB ist

sub operandA, operandB

• Vorzeichenbehaftete Zahlen: "less" und "greater"

  Aussage	Bedingung
  operandA less operandB	PL ≠ OV
  operandA equal operandB	ZR=1
  operandA greater operandB	PL = OV

• Zur Erklärung betrachten wir den Fall, dass operandA größer als operandB ist:
  • PL = OV = 0, kein Overflow ist aufgetreten (d.h. keine unerwarteter Vorzeichenwechsel, Ergebnis stimmt) und Ergebnis ist positiv
  • PL = OV = 1, Overflow ist aufgetreten (d.h. unerwarteter Vorzeichenwechsel, Ergebnis falsch) und das Ergebnis ist negativ ("negativer Overflow").
    Der negative Overflow bedeutet, dass das Ergebnis eigentlich positiv sein sollte und daher operandA größer als operandB ist.
  • Obwohl das Berechnungsergebnis falsch ist (angezeigt durch den Overflow), kann trotzdem ein Größenvergleich durchgeführt werden

• Beispiel für den Größenvergleich von vorzeichenbehafteten Zahlen:

  void main() {
    __asm {
      mov eax, -1
      mov ecx, -2
      sub eax, ecx         ; // OV = 0, PL = 0, ZR = 0 -> eax > ecx
      mov eax, -2
      mov ecx, -1
      sub eax, ecx         ; // OV = 0, PL = 1, ZR = 0 -> eax < ecx
      mov eax, 7FFFFFFFh   ; // largest positive signed integer
      mov ecx, -1
      sub eax, ecx         ; // OV = 1, PL = 1, ZR = 0 -> eax > ecx
      mov eax, 80000000h   ; // largest negative signed integer
      mov ecx, 1
      sub eax, ecx         ; // OV = 1, PL = 0, ZR = 0 -> eax < ecx
      mov eax, 1           
      mov ecx, 1
      sub eax, ecx         ; // OV = 0, PL = 0, ZR = 1 -> eax == ecx
    }
  }
  

  Quelldatei: main.cpp

• Da für einen Vergleich nur die Flags nach der Subtraktion eine Rolle spielen, nicht aber das Ergebnis, gibt es folgenden Maschinenbefehl:

  cmp operandA, operandB

• Dieser Befehl setzt genau die Flags, die ein analoger Sub-Befehl setzen würde
• Der wesentliche Unterschied ist, dass der operandA unverändert bleibt
• Die Auswertung der gesetzten Flags erfolgt meist durch einen direkt nachfolgenden bedingten Sprung-Befehl.

• Assemblerbefehle werden in der Reihenfolge ausgeführt, in der sie im Text erscheinen, es sei denn, es handelt sich um einen Sprungbefehl
• Ein solcher bewirkt die Fortsetzung des Programms an einer beliebigen anderen Stelle
• Das Argument eines Sprungbefehls ist das Ziel des Sprungs, das über eine Adresse oder eine Sprungmarke (engl. "label") angegeben wird
• Die Sprungmarke wird vom Assembler in eine Adresse umgesetzt
• Eine Sprungmarke, die als Sprungziel dienen soll, muss mit einem Doppelpunkt abgeschlossen werden
• Als Sprungmarke dürfen natürlich keine Wörter verwendet werden, die bereits in der Assemblersprache anderweitig genutzt werden
• Die Sprungbefehle realisieren einen Sprung, in dem der Befehlszähler EIP auf die Zieladresse gesetzt wird

• Für den unbedingten Sprung gibt es den JMP-Befehl (engl. "jump")

  jmp sprungziel

• Sprungziel kann eine Sprungmarke oder eine Adresse sein
• Beispiel:

  int main() {
    __asm {
               mov eax, 3      
               jmp Important 
               mov eax, 33
    Important: mov ecx, 6
               add eax, ecx  ; // eax = ?
    }
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Die bedingten Sprünge werten die Flags aus, die durch vorangegangene Befehle gesetzt wurden
• Wenn die entsprechende Bedingung für den Sprung erfüllt ist, wird der Sprung ausgeführt, ansonsten der nächste Befehl
• Die Bedingung ist in die Mnemonik kodiert. Es gibt mehrere Mnemoniks mit der gleichen Funktion (nicht alle sind hier aufgeführt)

• Befehle für bedingte Sprünge, die das Zero-Flag auswerten sind:

  Befehl	Bedeutung	Bedingung für Flags
  JZ	Spring, wenn null ("jump if zero")	ZR=1
  JE	Spring, wenn gleich ("jump if equal")	ZR=1
  JNZ	Spring, wenn nicht null ("jump if not zero")	ZR=0
  JNE	Spring, wenn nicht gleich ("jump if not equal")	ZR=0

• Bedingte Sprünge nach dem Vergleich von vorzeichenlosen Zahlen:

  Befehl	Bedeutung	Bedingung
  JB	Spring, wenn niedriger ("jump if below")	CY=1
  JNAE	Spring, wenn nicht höher oder gleich ("jump if not above or equal")	CY=1
  JAE	Spring, wenn höher oder gleich ("jump if above or equal")	CY=0
  JNB	Spring, wenn nicht niedriger ("jump if not below")	CY=0
  JBE	Spring, wenn niedr. gleich ("jump if below equal")	CY=1 oder ZR=1
  JNA	Spring, wenn nicht höher ("jump if not above")	CY=1 oder ZR=1
  JA	Spring, wenn höher ("jump if above")	CY=0 und ZR=0
  JNBE	Spring, wenn nicht niedriger oder gleich ("jump if not below or equal")	CY=0 und ZR=0

• Bedingte Sprünge nach dem Vergleich von vorzeichenbehafteten Zahlen:

  Befehl	Bedeutung	Bedingung für Flags
  JG	Spring, wenn größer ("jump if greater")	ZR=0 und PL = OV
  JNLE	Spring, wenn nicht kleiner oder gleich ("jump if not less or equal")	ZR=0 und PL = OV
  JLE	Spring, wenn kleiner oder gleich ("jump if less or equal")	ZR=1 oder PL ≠ OV
  JNG	Spring, wenn nicht größer ("jump if not greater")	ZR=1 oder PL ≠ OV
  JL	Spring, wenn kleiner ("jump if less")	PL ≠ OV
  JNGE	Spring, wenn nicht größer oder gleich ("jump if not greater or equal")	PL ≠ OV
  JGE	Spring, wenn größer oder gleich ("jump if greater or equal")	PL = OV
  JNL	Spring, wenn nicht kleiner ("jump if not less")	PL = OV

• Bedingte Sprünge basierend auf bestimmten Flags:

  Befehl	Bedeutung	Bedingung
  JC	Spring, wenn Carry gesetzt ("jump if carry")	CY=1
  JNC	Spring, wenn Carry nicht gesetzt ("jump if not carry")	CY=0
  JO	Spring, wenn Overflow gesetzt ("jump if overflow")	OV=1
  JNO	Spring, wenn Overflow nicht gesetzt ("jump if not overflow")	OV=0
  JS	Spring, wenn Sign gesetzt ("jump if sign")	PL=1
  JNS	Spring, wenn Sign nicht gesetzt ("jump if not sign")	PL=0

• Bedingte Sprünge basierend auf dem (E)CX-Register:

  Befehl	Bedeutung	Bedingung
  JCXZ	Spring, wenn CX-Register null ist ("jump if register CX is zero")	CX=0
  JECXZ	Spring, wenn ECX-Register null ist ("jump if register ECX is zero")	ECX=0
  LOOP	Dekrementiere (E)CX; springe, wenn (E)CX nicht null ("decrement (E)CX; jump if (E)CX not zero")	(E)CX≠0

• Beispiel: JNA ("jump if not above")

  int main() {
    __asm {
                      mov eax, 2
                      mov ecx, 3
                      cmp eax, ecx
                      jna ThisIsMyLabel
                      mov eax, 33
      ThisIsMyLabel:  mov ecx, 6
                      add eax, ecx; // eax = ?
    }
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Beispiel: Summe 1+2+3+ .... + n :

  #include <stdio.h>
  unsigned int smallGauss(unsigned int varA) { // version 1
    __asm
    {
                   mov eax, 0
                   mov ecx, varA
                   cmp ecx, 0
      ExecuteLoop: jz EndLoop
                   add eax, ecx 
                   sub ecx, 1
                   jmp ExecuteLoop;
      EndLoop: 
    }
  }
  
  int main() {
    unsigned int n = 5;
    unsigned int result = smallGauss(n); // call C-function "smallGauss"
    printf( "smallGauss(%d) = %d\n", n, result); // output result to console
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Die arithmetischen Operationen inc und dec dienen zum Inkrementieren bzw. Dekrementieren eines Speicher- oder Registerinhaltes um 1
• Aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Lesbarkeit sind sie einer Addition von 1 mit dem Add-Befehl bzw. Subtraktion von 1 mit dem Sub-Befehl vorzuziehen
• Wird der Code aus der vorherigen Implementierung der Funktion smallGauss angepasst, ergibt sich:

  unsigned int smallGauss(unsigned int varA) { // version 2
    __asm
    {
                   mov eax, 0
                   mov ecx, varA
                   cmp ecx, 0
      ExecuteLoop: jz EndLoop
                   add eax, ecx 
                   dec ecx
                   jmp ExecuteLoop;
      EndLoop: 
    }
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Die Befehle inc und dec beeinflussen die Flags: OV,PL,ZR,AC und PE
• Interessant ist, dass das Carry-Flag nicht gesetzt wird
• Dies ist nicht nötig, da das Zero-Flag und das Carry-Flag bei Addition von 1 immer den gleichen Wert haben. D.h. der Befehl

  add ziel, 1

  setzt genau dann das Carry-Flag, wenn das Ergebnis null ist und dementsprechend das Zero-Flag gesetzt wird (z.B. bei einem 8-Bit-Register für ziel=FFh)
• Bei Subtrahieren von 1 mit

  sub ziel, 1

  wird genau dann das Carry-Flag gesetzt, wenn vorher ziel=0 war. Auch dies ist leicht zu prüfen, so dass auf das Carry-Flag verzichtet werden kann

• Der Befehl loop wurde bereits bei den bedingten Sprüngen erwähnt

loop ziel

• Ziel kann eine Sprungmarke oder eine Adresse sein
• Beim Aufruf des Befehls wird das (E)CX-Register dekrementiert und der Sprung ausgeführt, wenn (E)CX ungleich null ist
• Ist ziel eine 16-Bit Adresse, wird das CX- und bei 32-Bit das ECX-Register betrachtet
• Die Funktion smallGauss kann somit nochmal verbessert werden: (main.cpp)

  unsigned int smallGauss(unsigned int varA) { // version 3
      __asm
      {
                     mov eax, 0
                     mov ecx, varA
                     jecxz EndLoop
       ExecuteLoop:  add eax, ecx
                     loop ExecuteLoop
       EndLoop:
      }
  }

• Der Befehl mul führt eine Multiplikation für vorzeichenlose Zahlen aus
• Hierbei wird von dem üblichen Schema:

  op ziel, quelle

  abgewichen, da das Ergebnis im Allgemeinen nicht in ein Register passt
• Stattdessen wird das Ziel, welches mehrere Register umfassen kann, fest vorgegeben und der Mul-Befehl benötigt nur die Quelle als Parameter:

  mul quelle

• Welche Register als Ziel verwendet werden hängt von der Bitbreite von quelle ab:

  Bitbreite	Ziel	Operation
  8	AX	AX = AL * quelle
  16	DX:AX	DX:AX = AX * quelle
  32	EDX:EAX	EDX:EAX = EAX * quelle

• Überschreitet das Ergebnis die Bitbreite von quelle werden Carry- und Overflow-Flag gesetzt

• Beispiel:

  int main() {
    __asm {
      mov cl, 16         ; // CL=10h (8-bit register)
      mov al, 8          ; // AL=08h  
      mul cl             ; // AX=0080h=128                Flags: OV=0, CY=0
      mov cx, 4000h      ; // CX=4000h (16-bit register)
      mov ax, 5000h      ; // AX=5000h
      mul cx             ; // DX:AX= 1400:0000            Flags: OV=1, CY=1   
      mov ecx, 7FFFFFFFh ; // ECX=7FFFFFFFh (32-bit register)
      mov eax, 4         ; // EAX=00000004h
      mul ecx            ; // EDX:EAX=00000001:FFFFFFFC   Flags: OV=1, CY=1   
    }
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Der Assemblerbefehl div führt eine Division aus

  div quelle

• Das Ergebnis der Division ist ein ganzzahliger Anteil und ein Rest
• Der Divisor wird mit quelle angegeben
• Der Dividend muss in fest vorgegebenen Registern abgelegt werden. Welche dies sind, ist abhängig von der Bitbreite von quelle:

  Bitbreite	Dividend	Ganzzahliges Ergebnis	Rest
  8	AX	AL = AX / quelle	AH = AX mod quelle
  16	DX:AX	AX = DX:AX / quelle	DX = DX:AX mod quelle
  32	EDX:EAX	EAX = EDX:EAX / quelle	EDX = EDX:EAX mod quelle

• Die Division ist demnach so implementiert, dass sie die exakte Umkehrfunktion einer Multiplikation realisiert
• Flags werden nicht verändert

• Beispiel:

  int main() {
    __asm {
      mov cx, 4000h      ; // CX=4000h (16-bit register)
      mov ax, 5000h      ; // AX=5000h
      mul cx             ; // DX:AX=1400:0000            Flags: OV=1, CY=1   
      div cx             ; // AX=5000h DX=0000h
      mov dx, 0000h      ;
      mov ax, 0002h      ; // DX:AX=0000:0002h
      mov cx, 10h        ; // CX=10h
      div cx             ; // AX=0000h DX=0002h
      mov dx, 7FFFh      ;
      mov ax, 0000h      ; // DX:AX=7FFF:0000h
      mov cx, 2h         ; // CX=2h
      div cx             ; // result does not fit in AX, throws divide error exception
    }
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Beispiel: Größter gemeinsamer Teiler (ggT) mit dem Euklidischen Algorithmus:
  

  unsigned int ggT_C(unsigned int a, unsigned int b) {
    unsigned int res = 0;
    while(b != 0) { // while b not zero
      res = (a % b); // res = (a mod b)
      a = b; 
      b = res;
    }
    return a;
  }

• Z.B. Größter gemeinsamer Teiler von $525$ und $399$:
  $\begin{align} 525 &= 1 \cdot 399 + 126\\ 399 &= 3 \cdot 126 + 21\\ 126 &= 6 \cdot 21 + 0 \\ \end{align}$
  Ergebnis: $21$

• Größter gemeinsamer Teiler (ggT) mit dem Euklidischen Algorithmus in Assembler

  unsigned int ggT_Asm(unsigned int a, unsigned int b) {
    __asm {     
                 mov edx, 0    ;
                 mov eax, a    ; // EDX:EAX = a
                 mov ecx, b    ; // ECX = b
      WhileLoop: cmp ecx, 0    ;
                 jz EndLoop    ; // jump to "done" if ECX == 0
                 div ecx       ; 
                 mov eax, ecx  ; // EAX = ECX
                 mov ecx, edx  ; // ECX = (a mod b)
                 mov edx, 0    ; // EDX = 0 for next "div" command
                 jmp WhileLoop ; 
      EndLoop:
    }
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Der Befehl IMUL führt eine Multiplikation von vorzeichenbehafteten Zahlen aus
• Es gibt drei verschiedene Varianten:
  • Die Syntax entspricht dem MUL-Befehl

    imul quelle

  • Das Ergebnis der Multiplikation von quelle und ziel wird in ziel gespeichert

    imul ziel quelle

  • Das Ergebnis der Multiplikation von operandA und konstante wird in ziel gespeichert

    imul ziel operandA konstante

• Bei der 2. und 3. Variante werden die niederwertigen Bits des Ergebnisses abgeschnitten falls es nicht in ziel passen sollten. Carry- und Overflow-Flag werden in diesem Fall gesetzt
• Quelldatei für das Beispiel auf der nächsten Folie: main.cpp

#include <stdio.h>
int main() {
  int result = 0;
  __asm {
    mov eax, -2     
    mov ecx, 800
    imul ecx
    mov result, eax   // EDX is ignored here 
  }
  printf("result=%d \n", result);
  __asm {
    mov eax, -2     
    mov ecx, 800
    imul eax, ecx
    mov result, eax
  }
  printf("result=%d \n", result);
  __asm {   
    mov ecx, 800
    imul eax, ecx, -2
    mov result, eax
  }
  printf("result=%d \n", result);
  return 0;
}

• Der Befehl IDIV führt eine Division von vorzeichenbehafteten Zahlen aus
• Der Befehl wird äquivalent zum Befehl DIV verwendet

  #include <stdio.h>
  int main() {
    int result = 0;
    int remainder = 0;
    __asm {
      mov edx, 0
      mov eax, 800     
      mov ecx, -3
      idiv ecx
      mov result, eax
      mov remainder, edx
    }
    printf("result=%d \n", result);
    printf("remainder=%d \n", remainder);
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Der Assemblerbefehl neg ändert das Vorzeichen einer vorzeichenbehafteten Zahl
• Beispiel:

  int main() {
    __asm {
      mov eax, -2     ; // EAX=FFFFFFFEh=-2
      neg eax         ; // EAX=00000002h= 2
      mov al, 254     ; // AL=FEh=-2 
      neg al          ; // AL=02h= 2
    }
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Die Assemblerbefehle and, or, und not führen elementare logische Grundoperationen aus, wie diese aus der booleschen Algebra bekannt sind
• Konjunktion (AND): $y = a \land b$

  $a$	$b$	$y = a \land b$
  0	0	0
  0	1	0
  1	0	0
  1	1	1

• Disjunktion (OR): $y = a \lor b$

  $a$	$b$	$y = a \lor b$
  0	0	0
  0	1	1
  1	0	1
  1	1	1

• Negation (NOT): $y = \lnot a$

  $a$	$y = \lnot a$
  0	1
  1	0

• Dabei wird jedes Bit einzeln betrachtet
• Das Carry-Flag CY und Overflow-Flag OF werden auf null gesetzt. Die Flags PL, ZR und PE werden gemäß des Ergebnisses gesetzt. Das Aux. Carry AC wird nicht beeinflusst.
• Beispiel:

  int main() {
    unsigned int a = 0x000078F1;
    unsigned int b = 0x00007F8F;
    __asm {
      mov eax, a    ; // EAX=000078F1h
      not eax       ; // EAX=FFFF870Eh
      and eax, b    ; // EAX=0000070Eh     
      mov edx, b    ; // EDX=0000070Eh     
      not edx       ; // EDX=FFFF8070h   
      and edx, a    ; // EDX=00000070h   
      or eax, edx   ; // EAX=0000077Eh   
    }
    return 0;
  }

• Frage: Was wurde hier gerade umständlich implementiert?

• Antwort: XOR

  int main() {
    unsigned int a = 0x000078F1;
    unsigned int b = 0x00007F8F;
    __asm {
      mov eax, a    ; // EAX=000078F1h
      not eax       ; // EAX=FFFF870Eh
      and eax, b    ; // EAX=0000070Eh     
      mov edx, b    ; // EDX=0000070Eh     
      not edx       ; // EDX=FFFF8070h   
      and edx, a    ; // EDX=00000070h   
      or eax, edx   ; // EAX=0000077Eh   
    }
  
    // simple alternative
    __asm {
      mov eax, a     ; // EAX=000078F1h
      xor eax, b     ; // EAX=0000077Eh
    }
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Der Befehl shl ("Shift logical left") und shr ("Shift logical right") schieben das Ziel um die angegeben Anzahl an Bits nach links bzw. rechts

  shl ziel, anzahl
  shr ziel, anzahl

• Eine Verschiebung nach links um $n$ Bits entspricht einer Multiplikation mit $2^n$
• Eine Verschiebung nach rechts entspricht einer ganzzahligen Division mit $2^n$
• Das jeweils letzte herausgeschobene Bit landet im Carry:
  

• Der Befehle sal ("Shift arithmetic left") und sar ("Shift arithmetic right") entsprechen den Befehlen shl und shr. Der einzige Unterschied ist, dass bei sar statt einer 0 eine 1 hineingeschoben wird

• Der Befehl xchg ("exchange") tauscht den Inhalt der beiden Operanden aus
• Beispiel:

  int main() {
    __asm {
      mov eax, 1    ; // EAX=1
      mov edx, 2    ; // EDX=2
      xchg eax, edx ; // EDX=1, EAX=2 
    }
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

Die "Bit Test"-Befehle, bt, bts, btr und btc, kopieren das durch bitIndex indizierte Bit ins Carry-Flag und modifizieren dieses Bit in ziel entsprechend der Semantik der Mnemonik

bt ziel, bitIndex

Befehl	Wirkung auf das Carry cy	Wirkung auf das indizierte Bit
bt ("bit test")	cy=ziel[bitIndex]	ziel[bitIndex] unbeeinflusst
bts ("bit test and set")	cy=ziel[bitIndex]	ziel[bitIndex]=1
btr ("bit test and reset")	cy=ziel[bitIndex]	ziel[bitIndex]=0
btc ("bit test and complement)")	cy=ziel[bitIndex]	ziel[bitIndex] = not(ziel[bitIndex])

• Die Assemblerbefehle clc ("clear carry") und stc ("set carry") löschen bzw. setzen das Carry-Flag
• Beispiel:

  int main() {
    __asm {
      stc             ; // CY=1
      clc             ; // CY=0
      mov ax, 00FFh   ; // AX=00FFh
      bt  ax, 0       ; // CY=1
      bt  ax, 7       ; // CY=1
      bt  ax, 8       ; // CY=0
      bts ax, 8       ; // CY=0, AX=01FFh
    }
    return 0;
  }

  Quelldatei: main.cpp

• Der Assemblerbefehl nop ("no operation") führt keine Operation aus
• Er dient z.B. dazu, die Ablaufgeschwindigkeit von Maschinespracheprogrammen zu beeinflussen, da ein NOP-Befehl jeweils eine definierte Verzögerung erzeugt

• Die hier beispielhaft gezeigten Befehle sind natürlich nur ein Auszug aus den insgesamt ca. 200 Mehrzweckbefehlen und weiteren 300 Spezialbefehlen
• Für viele einfache Assemblerprogramme sind die hier gezeigten Befehle jedoch bereits ausreichend
• Einige weitere Befehle werden in den folgenden Kapiteln vorgestellt
• Die komplette Dokumentation der x86 Architektur steht auf den Webseiten von Intel zur Verfügung:
  Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual
  • Volume 1: Basic Architecture
  • Volume 2: Instruction Set Reference, A-Z
  • Volume 3: System Programming Guide

• Die Dokumentation eines Assembler-Befehls besteht jeweils aus eine großen Tabelle, die zeigt für welche Operanden der Befehl vorhanden ist
• Hier z.B. die Tabelle für den Befehl add (Seite 3-31 der Befehlsreferenz):

• Es fällt auf, dass je nach Art der angegebenen Operanden ein anderer Opcode verwendet wird
• D.h. der verwendeten Maschinenbefehl (Opcode) bestimmt sich zum Einen aus der Mnemonik, ist aber auch abhängig von den Operanden
• Abkürzungen:
  • r8, r16, r32 Operand ist eine 8-, 16-, bzw. 32-Bit-Mehrzweckregister
  • m8, m16, m32 Operand ist eine Speicheradresse (engl. "memory")
  • m/r8, m/r16, m/r32 Operand ist ein Register oder eine Speicheradresse
  • imm8, imm16, imm32 Operand ist eine konstante vorzeichenbehaftete Zahl (engl. "immediate value")
• Eine komplette Liste der Abkürzungen ist in Kapitel 3.1.1.3 (Seite 3-5) der Befehlsreferenz angegeben
• Neben der Tabelle und der Beschreibung eines Befehls ist für einen Programmierer besonders der Abschnitt über die veränderten Flags ("Flags Affected") des jeweiligen Befehls wichtig