Programowanie Niskopoziomowe

Transkrypt

1 Programowanie Niskopoziomowe Wykład 1: Wstęp Dr inż. Marek Mika Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Jana Amosa Komeńskiego W Lesznie

2 Plan Informacje o przedmiocie Języki asemblerowe i ich zastosowania Programy hybrydowe Programy w środowisku systemu operacyjnego Programy wolnostojące Proces tworzenia programu

3 Informacje o przedmiocie Wymiar: wykład: 15 godzin laboratorium: 15 godzin Liczba punktów ECTS: 4 Forma zaliczenia: wykład: kolokwium zaliczeniowe laboratorium: wykonanie ćwiczeń i sprawozdań bieżące sprawdzanie wiedzy w formie krótkich sprawdzianów

4 Prowadzący Wykład: dr inż. Marek Mika tel (wtorki 13:30-15:00) Laboratorium: dr inż. Marek Mika

5 Cel nauczania przedmiotu Zapoznanie studentów z zasadami: niskopoziomowego programowania procesorów rodziny x86 programowania w języku asemblera z użyciem: instrukcji warunkowych, pętli, operacji na liczbach całkowitych, tablic i łańcuchów znaków kompilacji, konsolidacji i debugowania programów asemblerowych programowania hybrydowego programistycznej obsługi sprzętu Interakcji pomiędzy programami asemblerowymi a systemem operacyjnym i innymi aplikacjami myślenia na poziomie sprzętowym

6 Wymagana wiedza Podstawy programowania w językach wysokiego poziomu Podstawowa wiedza w zakresie architektury systemów komputerowych Podstawowa wiedza w zakresie systemów operacyjnych

7 Zakres Logika programowania logika Boole a operacje bitowe Koncepcje związane z systemem operacyjnym i sprzętem podstawowe pojęcia związane z reprezentacją danych (liczby binarne) architektura procesora (rejestry, znaczniki) adresowanie pamięci w procesorach x86 Programowanie strukturalne dekompozycja funkcjonalna procedury koncepcja najpierw przemyśl później koduj

8 Zakres c.d. Java i maszyna wirtualna javy Dostęp do pamięci dyskowej z programistycznego punktu widzenia ze sprzętowego punktu widzenia Tworzenie bibliotek Tworzenie struktur, unii i makr Łączenie asemblera z językami C i C++

9 Literatura Irvine K. R., Asembler dla procesorów Intel Vademecum profesjonalisty, Helion, Gliwice 2003 Wróbel E., Asembler 8086/88, WNT, Warszawa 1990 Hyde R., Profesjonalne programowanie. Część 1. Zrozumieć komputer, Helion, Gliwice Małysiak H., Pochopień B., Wróbel E., Mikrokomputery klasy IBM PC, WNT, Warszawa Mikroprocesory firmy Intel, praca zbiorowa pod redakcją C. Stępnia, PWN, Warszawa 1992.

10 Materiały Programowanie_niskopoziomowe

11 Środowisko Sprzęt: PC z procesorem Intel lub AMD (x86) System operacyjny: MS Windows (98, XP, Vista, 7) Linux Oprogramowanie: MASM (Microsoft Micro Assembler) TASM (Turbo Assembler) NASM (Netwide Assembler) GNU Assembler

12 Język asemblera Najstarszy język programowania, w którym każda podstawowa instrukcja odpowiada jednej instrukcji maszynowej procesora Symboliczny (alfanumeryczny) zapis instrukcji i argumentów w postaci czytelnej dla człowieka język maszynowy używa zapisu binarnego Zwykle liniowa struktura zapisu każdy wiersz tekstu źródłowego to pojedyncza instrukcja procesora lub dyrektywa asemblera Kompilator języka asemblerowego jest nazywany asemblerem Język asemblerowy umożliwia bezpośrednie sterowanie działaniem procesora przez programistę

13 Języki asemblerowe Instrukcje języka odpowiadają instrukcjom procesora w niektórych asemblerach jedna instrukcja symboliczna może być rozwijana w kilka instrukcji maszynowych (np. MIPS) Każda rodzina procesorów o wspólnym modelu programowym ma inny asembler poszczególne rodziny procesorów różnią się istotnie modelami programowymi rejestry tryby adresowania modele operacji warunkowych instrukcje

14 Zapis asemblerowy Program składa się z dyrektyw (instrukcji dla kompilatora asemblera) i instrukcji procesora Każda instrukcja lub dyrektywa zajmuje zwykle jeden wiersz Elementy, które mogą wystąpić w wierszu (kolejno): etykieta lub nazwa instrukcja lub dyrektywa argumenty instrukcji lub dyrektywy komentarz Dokładna postać poszczególnych elementów zależy od konkretnego asemblera Istnieją asemblery używające innej postaci zapisu, np. podobnej do języka C

15 Zapis asemblerowy - przykład Etykieta lub nazwa definiowanego symbolu Instrukcja procesora lub dyrektywa asemblera Argumenty (nazwy, wartości, symbole) Komentarz section.text ; otwarcie sekcji kodu start: org 0x100 mov ah, 9 ; funkcja wypisywania łańcucha mov dx, hello ; adres łańcucha int 0x21 ; wywołanie systemu mov ax, 0x4c00 ; funkcja exit (0x4c) int 0x21 ; wywołanie systemu Hello: db Hello, world!, 13, 10, $

16 Zastosowanie programowania asemblerowego Programowanie mikrokontrolerów o bardzo ograniczonych zasobach lub architekturze nieprzystosowanej do implementacji języków wysokiego poziomu Systemy wbudowane Fragmenty oprogramowania krytyczne czasowo Dostęp do zasobów procesora niewidocznych dla języka wysokiego poziomu rejestry specjalne instrukcje nie będące odpowiednikami instrukcji języka wysokiego poziomu jednostki wektorowe Obsługa wyjątków Inne procedury jądra systemu operacyjnego Ręczna optymalizacja kodu

17 Programowanie hybrydowe Łączenie fragmentów programu (procedur) napisanych w różnych językach przykład: C i asembler mogą to być również dwa języki wysokiego poziomu Operacje niekrytyczne czasowo zapisuje się w języku wysokiego poziomu Operacje krytyczne i nierealizowalne w języku wysokiego poziomu zapisywane w asemblerze Konieczne uzgodnienie sposobu przekazywania sterowania z procedur w języku wysokiego poziomu do asemblerowych i odwrotnie

18 Program w systemie operacyjnym System operacyjny oraz moduł startowy będący częścią aplikacji przygotowują środowisko pracy programu (alokacja pamięci, stos) i zapewniają współpracę programu z komputerem (obsługa wejścia-wyjścia, system plików, komunikacja między procesami) Programista pisze tylko użytkową część programu W taki sposób są tworzone programy działające na komputerach uniwersalnych standard języka C nazywa to hosted environment Program taki może być pisany w dowolnym dostępnym języku, również w asemblerze

19 Program wolnostojący Program działający na samym sprzęcie komputera, bez wsparcia systemu operacyjnego, ew. z minimalnym wsparciem Program musi najpierw przygotować środowisko pracy alokacja pamięci, w tym stosu Przykłady: jądro systemu operacyjnego program ładujący systemu operacyjnego moduł startowy programu w języku wysokiego poziomu Programy takie muszą być pisane przynajmniej częściowo w asemblerze ew. muszą korzystać z niestandardowych, niskopoziomowych rozszerzeń języka wysokiego poziomu dla konkretnego procesora lub rodziny procesorów

20 Przykład program ładujący Zawarty w pierwszym bloku nośnika (np. sektorze dysku) Uruchamiany w trybie systemowym przez wbudowane oprogramowanie komputera w komputerach PC podsystem BIOS ładuje program ładujący do pamięci i przekazuje mu sterowanie Operacje wejścia-wyjścia realizowane za pomocą funkcji udostępnianych przez oprogramowanie wbudowane lub poprzez bezpośrednie odwołania do sterowników w PC program ładujący korzysta z funkcji operacji dyskowych, obsługi wyświetlania i ew. klawiatury, zawartych w podsystemie BIOS Działanie: weryfikacja i załadowanie następnego programu ładującego lub jądra systemu przekazanie sterowania do załadowanego programu

21 Przykład moduł startowy dla języka C Zadanie stworzenie środowiska do wywołania funkcji main() w środowisku systemu operacyjnego Funkcje (niektóre): zainicjowanie alokatora pamięci pobranie z systemu argumentów wywołania programu (linii polecenia) konwersja argumentów wywołania programu na argumenty dla funkcji main() wywołanie funkcji main() obsługa powrotu z funkcji main() implementacja funkcji exit() zakończenie wykonania programu

22 Proces tworzenia programu Etapy tworzenia programu Postać pośrednia Łączenie (linkowanie) Biblioteki

23 Etapy tworzenia programu Kompilacja kompilator zamienia zapis w języku wysokiego poziomu na zapis asemblerowy lub od razu na postać pośrednią każdemu plikowi źródłowemu odpowiada oddzielny plik wynikowy Asemblacja plik źródłowy w asemblerze lub plik tymczasowy wygenerowany przez kompilator jest zamieniany przez asembler na postać pośrednią każdemu plikowi źródłowemu odpowiada oddzielny plik w postaci pośredniej Łączenie konsolidator łączy pliki pośrednie i pliki bibliotek tworząc postać wykonywalną

24 Przykład DOS / Microsoft C Wywołanie: cl hello.c program cl jest powłoką kompilatora Etapy: cl wywołuje kompilator kompilator generuje plik postać pośrednią plik hello.obj cl wywołuje konsolidator link z odpowiednimi argumentami link łączy plik hello.obj z biblioteką języka c biblioteka zawiera moduł startowy crt0 oraz funkcje standardowe, np. printf, scanf itp. moduł crt0 zawiera kod odpowiedzialny za przygotowanie środowiska dla funkcji main i wywołanie funkcji main z oowiednimi argumentami (argc,argv[]) Powstaje plik hello.exe postać wykonywalna programu

25 Przykład Linux / GCC gcc jest powłoką (tzw. driverern) komppilatora gcc wywołuje kompilator, asembler i konsolidator przekazując im odpowiednie argumenty wywołanie gcc -o hello hello.c -o hello określa nazwę pliku wykonywalnego (bez tej opcji plik nazywałby się a.out) gcc wywołuje kompilator, który tworzy strumień (plik) asemblerowy gcc wywołuje asembler, który tworzy plik pośredni hello.o gcc wywołuje konsolidator ld, który tworzy plik hello używając modułu crt0.o, hello.o i biblioteki standardowej powstaje plik wykonywalny o nazwie hello

26 Przykład - Windows Przebieg kompilacji jak w przykładzie dla DOS System Windows używa tzw. bibliotek dynamicznych postać wykonywalna programu nie jest kompletna zamiast funkcji standardowych postać wykonywalna programu zawiera informacje o sposobie dołączenia tych funkcji dołączenie funkcji następuje podczas ładowania programu do pamięci dzięki temu wiele programów może korzystać z jednej, wspólnej kopii biblioteki daje to redukcję zajętości pamięci Podobny mechanizm jest dostępny w systemach rodziny Unix (w tym również Linux)

27 Przykłady - podsumowanie Postać wykonywalna powstaje przez połączenie modułów w postaci pośredniej Moduły te mogą powstać przez kompilację (asemblację) postaci źródłowych pisanych w językach wysokiego poziomu lub asemblerze Wiele kompilatorów (w tym GCC) generuje jawnie postać asemblerową, która jest następnie translowana przez asembler Konsolidator nie wie, w jakim języku był oryginalnie napisany łączony moduł Biblioteki zawierają gotowe do użycia moduły (w zmodyfikowanej postaci pośredniej), wcześniej skompilowane

28 Kompilacja Kompilator języka wysokiego poziomu tworzy postać asemblerową każdego kompilowanego modułu programu postać ta podlega następnie asemblacji niektóre kompilatory(np. Microsoft C) tworzą od razu postać pośrednią, gotową do konsolidacji

29 Asemblacja Asemblacja - to inaczej kompilacja postaci asemblerowej programu do postaci pośredniej (lub wykonywalnej) Postać asemblerowa może być stworzona przez programistę lub może być wynikiem działania kompilatora języka wysokiego poziomu

30 Postać pośrednia Postać pośrednia zawiera binarny kod wykonywalny, w którym część odwołań (np. do zmiennych i procedur) pozostaje niezdefiniowana Typowy program składa się z wielu modułów powiązanych ze sobą moduł może korzystać z funkcji i zmiennych zdefiniowanych w innych modułach Postać pośrednia zawiera opis zewnętrznych odwołań modułu i opis symboli (np. etykiet i nazw zmiennych) udostępnianych przez moduł na zewnątrz wiązanie obiektów następuje poprzez ich nazwy

31 Konsolidacja Konsolidacja polega na realizacji odwołań do symboli zewnętrznych poprzez związanie tych odwołań z symbolami udostępnianymi przez moduły, w których je zdefiniowano Wiązanie symboli jest możliwe tylko wtedy, gdy występują one w postaci pośredniej jako zewnętrzne i publiczne W wyniku konsolidacji powstaje postać wykonywalna programu, w której wszystkie odwołania są zrealizowane nie dotyczy to odwołań do bibliotek dynamicznych, które podlegają konsolidacji w trakcie ładowania programu do pamięci

32 Symbole zewnętrzne Symbole zewnętrzne są to symbole zdefiniowane w innych modułach W module korzystającym z symboli zewnętrznych muszą one być zadeklarowane jako zewnętrzne język C słowo kluczowe extern dla danych funkcje niezdefiniowane są domyślnie traktowane jako zewnętrzne asembler wymagana deklaracja słowo kluczowe extern lub extrn

33 Symbole publiczne Symbole publiczne symbole, z których mogą korzystać inne moduły Symbole publiczne są deklarowane jako publiczne język C: każdy symbol na poziomie zewnętrznym jest traktowany jako publiczny, o ile nie jest zadeklarowany ze słowem kluczowym static asembler: wymagana jawna deklaracja słowo kluczowe public lub gobal

34 Symbole zewnętrzne i publiczne - przykład ; modul pierwszy.asm start: section.text extern say_hello call say_hello ;otwarcie sekcji kodu ;symbol jest zdefiniowany w innym module mov ax, Ox4cOO ; funkcja exit (Ox4c), kod powrotu O int Ox2l ; wywołanie systenu ; ; modul drugi.asm section.text ; otwarcie sekcji kodu global say_hello say_hello: ; symbol będzie dostępny na zewoątrz mov ah, 9 ; funkcja wypisania łańcucha mov dx, hello ; adres łańcucha int 0x21 ret section.data ; wywołanie systemu hello: db Hello, world!, 13, 10, $

35 Program jednomodułowy Program jednomodułowy Bardzo proste programy pisane w języku asemblera mogą składać się z jednego modułu i nie zawierać odwołań do żadnych symboli zewnętrznych Konsolidacja takich programów sprowadza się do wygenerowania postaci wykonywalnej z postaci pośredniej i nie wymaga przeprowadzenia wiązania symboli Niektóre asemblery mogą bezpośrednio generować postać wynikową programów jednomodułowych (np. NASM)

36 Program jednomodułowy przykład (DOS) ; program w najprostszej postaci binarnej.com ; musi się rozpoczynać od adresu OxlOO ; dane znajdują się w sekcji kodu section.text ; otwarcie sekcji kodu org OxlOO start: mov ab, 9 ; funkcja wypisywania łańcucha mov dx, hello ; adres łańcucha int Ox2l ; wywołanie systemu mov ax, 0x4c00 ; funkcja exit (Ox4c), kod powrotu O int Ox2l ; wywołanie systemu hello: db Hello, world!, 13, 10, $

37 Biblioteki Biblioteka to kolekcja gotowych modułów w postaci pośredniej, które mogą być łączone z innymi modułami tworzonymi przez programistę Plik biblioteki zawiera postaci pośrednie wielu modułów Biblioteki zawierające funkcje standardowe dla danego języka programowania zwykle dostarczane wraz z kompilatorami są one niezbędne do utworzenia działającego programu Programista może tworzyć własne biblioteki, z których może następnie korzystać w innych programach

38 Konsolidacja z biblioteką Konsolidator wybiera z biblioteki i łączy tylko te moduły, w których są zdefiniowane symbole zadeklarowane jako zewnętrzne w bazowych modułach pośrednich Wybrane z biblioteki moduły mogą zawierać odwołania do symboli zewnętrznych zdefiniowanych w innych modułach bibliotecznych Wybieranie i łączenie modułów następuje aż do zrealizowania wszystkich odwołań

39 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ