Programowanie niskopoziomowe

Programowanie niskopoziomowe Programowanie niskopoziomowe w systemie operacyjnym oraz poza nim Tworzenie programu zawierającego procedury asemblerowe 1

Programowanie niskopoziomowe w systemie operacyjnym Programowanie w systemie operacyjnym nie wymaga od programisty dokładnej znajomości maszyny. Środowisko pracy programu jest przygotowywane przez system operacyjny i moduł startowy. Programista ma za zadanie jedynie utworzyć użytkową część programu. 2

Programowanie niskopoziomowe w systemie operacyjnym Funkcje realizowane przez system operacyjny: Alokacja pamięci Obsługa systemu plików Obsługa wejścia/wyjścia Obsługa wyjątków 3

Programowanie niskopoziomowe poza systemem operacyjnym Programy uruchamiane poza środowiskiem systemu operacyjnego operują bezpośrednio na zasobach sprzętowych maszyny. Programista ma w tym przypadku obowiązek zaalokować pamięć, m.in. stos. Takie programy muszą być pisane w asemblerze. 4

Programowanie niskopoziomowe poza systemem operacyjnym Przykłady: Bootloader program ładujący system operacyjny jądro systemu operacyjnego samodzielna aplikacja systemu wbudowanego 5

Tworzenie programu z wykorzystaniem programowania niskopoziomowego Podczas tworzenia aplikacji możliwe jest równoległe stosowanie języków wysokopoziomowych i asemblera. Tworzony program może się składać z wielu plików pisanych w różnych językach programowania. Ta uniwersalność jest możliwa dzięki wieloetapowemu procesowi tłumaczenia tekstu programu na kod wykonywalny. 6

Proces tłumaczenia kodu programu pisanego w języku wysokiego poziomu preprocessing i kompilacja Tekst programu Zbiór obiektowy Zbiory obiektowe Zbiory Zbiory obiektowe obiektowe biblioteczne biblioteczne biblioteczne konsolidacja (linkowanie) Kod wykonywalny 7

Proces tłumaczenia kodu programu wersja z asemblacją kompilacja asemblacja Tekst programu Wygenerowany kod asemblera Zbiór obiektowy Kod wykonywalny Zbiory obiektowe Zbiory Zbiory obiektowe obiektowe biblioteczne biblioteczne biblioteczne konsolidacja 8

Pojawia się możliwość łączenia programowania w języku wysokiego poziomu i w asemblerze - programowanie hybrydowe kompilacja asemblacja Tekst programu Wygenerowany kod asemblera Zbiór obiektowy Kod asemblera utworzony przez programistę Zbiory obiektowe biblioteczne asemblacja Zbiór obiektowy konsolidacja Kod wykonywalny 9

Łączenie programowania w asemblerze i języku wysokiego poziomu jest możliwe nawet, jeśli proces kompilacji pomija postać asemblerową Tekst programu kompilacja Zbiór obiektowy Kod asemblera utworzony przez programistę Zbiory obiektowe biblioteczne asemblacja Zbiór obiektowy konsolidacja Kod wykonywalny 10

Zbiory obiektowe Zbiory obiektowe zawierają kod wykonywalny, w którym nie zostały zdefiniowane odwołania do obiektów zewnętrznych: zmiennych i procedur definiowanych w innych modułach. Zbiory obiektowe zawierają informację o tych odwołaniach i udostępnianych przez siebie obiektach. 11

Zbiory obiektowe Popularne formaty zbiorów obiektowych: ELF (Executable and Linking Format) popularny w systemie Linux COFF (Common Object File Format)- używany w systemie Windows SOM (System Object Module) format wprowadzony przez firmę Hewlet Packard 12

Wiązanie obiektów i odwołań Dzięki zawartym informacjom konsolidator może wiązać obiekty z odwołaniami w innych modułach. Konsolidator nie musi mieć dostępu do informacji, w jakim języku był pisany dany moduł, podlegający łączeniu. 13

Zasady łączenia kodu w języku wysokiego poziomu i w asemblerze Aby możliwe było wiązanie odwołań do obiektów z innych modułów muszą one być: Zewnętrzne w modułach odwołujących się do nich Publiczne w modułach, gdzie są definiowane 14

Obiekty zewnętrzne w języku C i w asemblerze Niezdefiniowane funkcje w języku C są z założenia traktowane przez kompilator jako zewnętrzne. Kompilator jest informowany o istnieniu nazwy zewnętrznej zmiennej za pomocą słowa kluczowego extern. Wszelkie obiekty zewnętrzne muszą zostać w asemblerze zadeklarowane za pomocą extern. 15

Obiekty publiczne w języku C i w asemblerze Jedynie obiekty publiczne są dostępne dla innych modułów. W języku C wszystkie obiekty globalne są publiczne, poza zdefiniowanymi ze słowem static. W asemblerze obiekty publiczne definiuje się z zastosowaniem słowa static lub global. 16

Przykład łączenia kodu w języku C i w asemblerze - kod w języku C extern void f1 (void); /* słowo extern pokazuje, że jest to obiekt zewnętrzny*/ int main () { f1(); return 0; } 17

Przykład łączenia kodu w języku C i w asemblerze - kod w asemblerze.text.global f1 f1: pushl %ebp movl %esp, %ebp movl $4, %eax /* 4 to funkcja systemowa "write" */ movl $1, %ebx /* 1 to stdout */ movl $tekst, %ecx /* adres tekstu */ movl $len, %edx /* długość tekstu w bajtach */ int $0x80 /* wywołanie przerwania systemowego */ popl %ebp ret.data tekst:.string "Hello world\n" len =. - tekst 18

Przekazywanie argumentów funkcji z języka C do asemblera Argumenty w języku C przekazywane są do funkcji przez stos: odkładane są na stosie od ostatniego do pierwszego. W asemblerze do odczytu argumentów posługujemy się wskaźnikiem stosu. pushl %ebp movl %esp, %ebp 19

Zwracanie wartości funkcji do programu w języku C W języku C wartość funkcji jest zwracana programowi wywołującemu w jednym z rejestrów mikroprocesora. W architekturze i386 do zwracania używa się rejestru EAX, bądź jego "mniejszych" odpowiedników, tj. AX i AH/AL. Przykład: by funkcja, napisana w asemblerze zwróciła "1" przed rozkazem ret należy napisać: movl $1, %eax 20

Łączenie kodu w języku C i w asemblerze w jednym zbiorze Możliwe jest dołączanie do kodu w języku C ciągu instrukcji asemblera za pomocą tzw. wstawek asemblerowych, definiowanych słowem asm. Przykład: int main () { asm ("nop"); } 21

Dyrektywy organizacji segmentów w asemblerze Pisząc program w asemblerze dla architektury x86 należy wskazać segmenty, w których definiowane są poszczególne obiekty za pomocą dyrektyw organizacji segmentów:.section.text - kod programu.section.rodata stałe inicjalizowane.section.data - zmienne inicjalizowane.section.bss - dane nieinicjalizowane 22

Przykład użycia dyrektyw organizacji segmentów w asemblerze ;initializing data.section.data x:.byte 128 ;one byte initialized to 128 y:.long 1,1000,10000 ;3 long words ;initializing ascii data.ascii "hello ;ascii without null character asciz "hello ;ascii with \0 ;allocating memory in bss.section.bss.equ BUFFSIZE 1024 ;define a constant.comm z, 4, 4 ;allocate 4 bytes for x with ;4-byte alignment 23

Przykład użycia dyrektyw organizacji segmentów w asemblerze, cd. ;making symbols externally visible.section.data.globl w ;declare externally visible ;e.g: int w = 10.text.globl fool ;e.g: fool(void) { } fool: leave return 24