Wstęp do asemblera, przerwania

Na tym przedmiocie zajmować się będziemy w pełni asemblerem architektury x86. Programy napisane w assemblerze są zazwyczaj bardziej wydajne i zajmują mniej miejsca niż programy napisane w językach wysokiego poziomu, na przykład C/C++, a zawsze będą wydajniejsze od Javy. Niezależnie od tego, asembler nie jest językiem łatwym, a napisanie nawet podstawowego programu wymagać będzie od programisty podstawowego zrozumienia architektury komputera.

Środowisko

Pracować będziemy na procesorze 80486, konkretnie jego zemulowanej wersji, którą uruchomimy w środowisku DOSBox. Instrukcja instalacji i konfiguracji środowiska tutaj

Architektura x86

Pamięcią i tym, jak dokładnie współpracuje ona z procesorem zajmiemy się w nieodległej przyszłości, na ten moment wystarczy nam wiedza, że program wraz z danymi wczytywany jest z pamięci instrukcja po instrukcji.

1. Transferowe:
   1. MOV - instrukcja przyjmująca 2 argumenty. Pierwszy z nich będzie miejscem docelowym, drugi źródłowym

      MOV AX, 10h
      

   2. PUSH - instrukcja zapisująca podany argument na stosie
   3. POP - instrukcja zdejmująca podany argument ze stosu
2. Arytmetyczne
   1. ADD
   2. SUB
   3. MUL
   4. DIV
3. Pozostałe:
   1. INT - wywołuje podane jako argument przerwanie

Przerwania

Aby zapewnić interakcję między procesorem a innymi elementami systemu, w tym zewnętrznymi urządzeniami i oprogramowaniem, procesor wykorzystuje mechanizm przerwań. Idea jest taka, że procesor nie powinien cały czas kontrolować, co dzieje się na urządzeniach I/O. Robi to dopiero w momencie, w którym dostanie odpowiedni sygnał - przerwanie. Jest to sygnał, który jest wysyłany do procesora przez urządzenie zewnętrzne lub przez oprogramowanie systemowe, aby przerwać wykonywanie aktualnej instrukcji przez procesor i zwrócić kontrolę do systemu operacyjnego lub innego programu. Przerwania procesora są istotnym elementem działania systemu operacyjnego i pozwalają na interakcję z zewnętrznymi urządzeniami oraz na kontrolę i zarządzanie zasobami systemowymi.

W momencie, w którym procesor otrzyma instrukcję przerwania, wykona procedurę obsługi przerwania. Procedura ta może wykonać różne czynności, takie jak przetworzenie danych z urządzenia zewnętrznego, aktualizacja systemowego timera, czy też obsługa błędów sprzętowych.

Jest bardzo dużo kategorii przerwań, ale korzystać będziemy z trzech podstawowych.

1. 21h - przerwanie systemu DOS. Zawiera procedury systemowe, jak wyświetlanie oraz odczytywanie znaków i stringów, tworzenie katalogów i wiele innych
2. 16h - zestaw przerwań klawiatury. Odczyty klawiszy, nie znaków.
3. 10h - przerwania wideo, pozwalające na bezpośrednią kontrolę karty graficznej, wyświetlania pikseli i znaków, kursora i innych.

Koncept przerwania może się wydawać bardzo skomplikowany, ale taki nie jest. Najważniejszym jest, aby wiedzieć, że pojedyncze przerwanie nie będzie pojedynczą funkcją, a zestawem tych funkcji. W momencie, w którym wywołamy przerwanie, sprawdzi ono, co znajduje się na rejestrze AX i wykona odpowiednią procedurę.

mov AH, 02h
mov DL, 'H'
int 21h

Powyższy kod najpierw zapisze w rejestrze AH wartość 02h, następnie w rejestrze DL kod ASCII litery “H”, czyli 48h. Następnie wywołane przerwanie 21h sprawdzi, co znajduje się na rejestrze AH, zobaczy tam 02h i uruchomi procedurę drukującą na ekranie literę, której kod ASCII znajdzie w rejestrze DL.

Nie ma szans, żeby spamiętać wszystkie przerwania, dlatego konieczne będzie posługiwanie się dokumentacją

Rejestry

Rejestry ogólnego przeznaczenia (AX, BX, CX, DX) - służą do przechowywania danych i wykonywania różnych operacji arytmetycznych. Każdy z tych rejestrów składa się z dwóch 8-bitowych rejestrów (AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL), które mogą być używane osobno lub łącznie.

1. Rejestr stosu (SP) - wskazuje na bieżącą pozycję na stosie. Przy wykonywaniu operacji PUSH lub POP, wartość rejestru SP jest automatycznie zmieniana.
2. Rejestr bazowy (BP) - służy do adresowania pamięci stosu. Jest to drugi rejestr stosu, który może być używany do adresowania elementów stosu, ale jego wartość nie ulega zmianie podczas wykonywania operacji PUSH i POP.
3. Rejestr indeksowy (SI, DI) - służą do adresowania danych w pamięci operacyjnej. SI jest często używany do adresowania źródła danych, a DI do adresowania celu.
4. Rejestr flagowy (FLAGS) - zawiera różne flagi, które informują procesor o wyniku ostatnio wykonanej operacji. Na przykład flaga ZF (Zero Flag) ustawia się na 1, jeśli wynik ostatniej operacji był równy zero, a flaga CF (Carry Flag) ustawia się na 1, jeśli wynik operacji przekroczył maksymalną wartość, jaką można przechować w rejestrze. Oprócz tych rejestrów, w 16-bitowym procesorze x86 istnieją również rejestr IP (Instruction Pointer), który wskazuje na bieżącą instrukcję w programie, oraz rejestr CS (Code Segment), który wskazuje na segment kodu programu.

Obsługa po stronie DOS

Kompilatorem, a właściwie asemblerem, którego będziemy używać będzie nasm. Aby zasemblować program do formy wykonywalnego pliku .COM należy wprowadzić polecenie

nasm plik_asm.asm -o wynik.com

Uruchomienie programu nastąpi po wpisaniu w terminal i zatwierdzeniu jego nazwy

Programy uruchomić można również w debuggerze insight poleceniem

insight wynik.com

Wewnątrz insighta przejście do następnej instrukcji wykonać będzie można poprzez wciśnięcie klawisza F8

Zadania do laboratorium

1. Napisz program, który wyświetli na terminalu literkę ‘A’ oraz ‘g’. - 21h/AH=02h
2. Napisz program, który wypisze na terminalu twoje imię i nazwisko - 21h/AH=09h
3. Napisz program, który ustawi kursor w lewym górnym rogu ekranu i napisze tam literkę ‘A’ - 10h/AH=02h i 21h/AH=02h. W 10h ustawiamy pozycję w rejestrach DH i DL, nie ruszamy BH.
4. Napisz program, który odczyta znak, a następnie go wydrukuje - int 21h/AH=01h - proponuję przed wydrukowaniem odczytanego znaku wydrukować jeszcze np. spację
5. Napisz program, który wyświetli pośrodku ekranu literę “C”