Что такое стек ассемблер

Стек и косвенная адресация

В этой статье мы с вами познакомимся с основными понятиями, которые связаны со стеком в Assembler, напишем небольшую программу, изучим несколько новых команд.

Общая информация

Итак, что же такое стек: если коротко, то стек — область памяти на ядре процессора, там хранятся адреса. По своей сути, это абстрактный тип данных. В понимании он довольно прост и следующая иллюстрация отображает принцип работы стека:

Принцип работы можно выразить простыми словами: первым пришел — последним вышел, и наоборот: последним пришел — первым вышел. Это полностью описывает работу стека в Assembler.

Стек в Assembler

Для основ, нам необходимо знать 2 новые команды:

Также нам понадобится такая конструкция :
[esp] — это указатель на вершину стека, как раз с ней мы и будем работать.

Приступим к коду, а те, кто не знают где его писать и как скомпилировать — добро пожаловать в предыдущую статью.

Уже знакомые строки, которые необходимо прописывать.
Перейдем к разделу кода:

Сначала в регистры ax и ecx помещаем значения(h означает шестнадцатеричную систему исчисления,и по сути никак не относится к числу). Заметьте, что в регистр ax, содержащий максимум 2 байта, можно поместить только 4 цифры, а в регистр ecx, содержащий 4 байта, только 8.

Затем с помощью команды push, помещаем в стек значения регистров ax и ecx соответственно, то есть сначала мы положили 2 байта, а затем еще 4 байта. Таким образом сейчас на вершине стека лежит то число из 8 знаков.

Далее, с помощью команды pop, вынимаем значения в регистры ax и ecx соответственно. Только заметьте, так как регистр ax, как мы уже сказали, может содержать 4 цифры(или правильнее сказать 2 байта), то в него запишется только 2 байта. Это означает что, то значение из 8 цифр, которое лежит на вершине, будет разделено пополам, а последняя половинка запишется в регистр ax(по принципу последним пришел — первым вышел). То есть в регистр ax запишется 4433h. И после этого в регистр ecx запишется 4 байта, а именно, то что останется: ecx = 22116655h.
Итак, поменяли значения регистра, а теперь изучим косвенную адресацию:

Косвенная адресация

Для понимания нужна полная сосредоточенность: итак, после выполнения команд pop(которая вытаскивает значения, но не удаляет его), вершина стека сместилась относительно наших значений сначала на 2 байта, а затем еще на 4, в общем на 6 байт. Так вот, с помощью косвенной адресации [esp-2] и [esp-6] мы можем обратится как раз к тем значениям: в итоге мы в ecx поместим значение, которое было в самом начале: 66554433h, в регистр ax: 2211h(просто вернули первоначальные значения).

Для того, чтобы лучше понять этот материал, советую воспользоваться отладчиком, и посмотреть как будут меняться значения регистров и значение, которое хранится на вершине стека(оно находится в правом нижнем окне и подсвечено серым цветом).

На этом мы закончим с изучением темы стек в Assembler, если у вас остались вопросы, то пишите в комментариях.

Источник

Путешествие по Стеку. Часть 1

В предыдущих материалах мы рассмотрели размещение программы в памяти – одну из центральных концепций, касающихся выполнения программ на компьютерах. Теперь обратимся к стеку вызовов – рабочей лошадке большинства языков программирования и виртуальных машин. Нас ожидает знакомство с удивительными вещами вроде функций-замыканий, переполнений буфера и рекурсии. Однако всему свое время – в начале нужно составить базовое представление о том, как работает стек.

Стек имеет такое важное значение, потому что благодаря ему любая функция «знает» куда возвращать управление после завершения; функция же, в свою очередь — это базовый строительный блок программы. Вообще, программы внутренне устроены довольно просто. Программа состоит из функций, функции могут вызывать другие функции, в процессе своей работы любая функция помещает данные в стек и снимает их оттуда. Если нужно, чтобы данные продолжили существовать после завершения функции, то место под них выделяется не в стеке, а в куче. Вышесказанное в равной степени относится как к программам, написанным на относительно низкоуровневом C, так и к интерпретируемым языкам вроде JavaScript и C#. Знание данных вещей обязательно пригодится — и если придется отлаживать программу, и если доведется заниматься тонкой подстройкой производительности, да и просто для того, чтобы понимать, что же там, все-таки творится внутри программы.

Итак, начнем. Как только мы вызываем функцию, в стеке для нее создается стековый кадр. Стековый кадр содержит локальные переменные, а также аргументы, которые были переданы вызывающей функцией. Помимо этого кадр содержит служебную информацию, которая используется вызванной функцией, чтобы в нужный момент возвратить управление вызвавшей функции. Точное содержание стека и схема его размещения в памяти могут быть разными в зависимости от процессорной архитектуры и используемой конвенции вызова. В данной статье мы рассматриваем стек на архитектуре x86 с конвенцией вызова, принятой в языке C (cdecl). На рисунке вверху изображен стековый кадр, разместившийся у верхушки стека.

Сразу бросаются в глаза три процессорных регистра. Указатель стека, esp, предназначается для того, чтобы указывать на верхушку стека. Вплотную к верхуше всегда находится объект, который был добавлен в стек, но еще оттуда не снят. Точно также в реальной жизни обстоят дела со стопкой тарелок или пачкой 100-долларовых банкнот.

Хранимый в регистре esp адрес изменяется по мере того, как объекты добавляются и снимаются со стека, однако он всегда указывает на последний добавленный и еще не снятый со стека объект. Многие процессорные инструкции изменяют значение регистра esp как побочный результат своего выполнения. Реализовать работу со стеком без регистра esp было бы проблематично.

В случае с процессорами Intel, ровно как и со многими другими архитетурами, стек растет в направлении меньших адресов памяти. Поэтому верхушка, в данном случае, соответствует наименьшему адресу в стеке, по которому хранятся валидные используемые данные: в нашем случае это переменная local_buffer. Думаю, должно быть понятно, что означает стрелка от esp к local_buffer. Здесь все, как говорится, по делу – стрелка указывает точно на первый байт, занимаемый local_buffer, и это соответствует тому адресу, который хранится в регистре esp.

Далее на очереди еще один регистр, используемый для отслеживания позиций в стеке – регистр ebp – базовый указатель или указатель базы стекового кадра. Данный регистр предназначен для того, чтобы указывать на позицию в стековом кадре. Благодаря регистру ebp текущая функция всегда имеет своего рода точку отсчёта для доступа к аргументам и локальным переменным. Хранимый в регистре адрес изменяется, когда функция начинает или прекращает выполнение. Мы можем довольно просто адресовать любой объект в стековом кадре как смещение относительно ebp, что и показано на рисунке.

В отличии от esp, манипуляции с регистром ebp осуществляется в основном самой программой, а не процессором. Иногда можно добиться выигрыша в производительности просто отказавшись от страндартного использования регистра ebp – за это отвечают некоторые флаги компилятора. Ядро Linux – пример того, где используется такой прием.

Наконец, регистр eax традиционно используется для хранения данных, возвращаемых вызвавшей функции — это высказывание справедливо для большинства поддерживаемых в языке C типов.

Теперь давайте разберем данные, содержащиеся в стековом кадре. Рисунок показывает точное побайтовое содержимое кадра, c направлением роста адресов слево-направо – это то, что мы обычно видим в отладчике. А вот и сам рисунок:

Локальная переменная local_buffer – это массив байт, представляющий собой нуль-терминированную ASCII-строку; такие строки — неизменный атрибут всех программ на C. Размер строки — 7 байт, и, скорее всего, она была получена в результате клавиатурного ввода или чтения из файла. В нашем массиве может храниться 8 байт и, следовательно, один байт остается неиспользуемым. Значение этого байта неизвестно. Дело в том, что, данные то и дело добавлются и снимаются со стека, и в этом «бесконечном танце операции добавления и снятия» никогда нельзя знать заранее, что содержит память, пока не осуществишь в нее запись. Компилятор языка C не обременяет себя тем, чтобы иницилизировать стековый кадр нулями. Поэтому содержащиеся там данные заранее неизвестны и являются в некоторой степени случайными. Уж сколько крови попило такое поведение компилятора у программистов!

Идем далее. local1 – 4-байтовое целое число, и на рисунке видно содержимое каждого байта. Кажется, что это большое число – только взгляните на все эти нули после восьмерки, однако здесь наша интуиция сослужила нам дурную службу.

Процессоры Intel используют прямой порядок байтов (дословно «остроконечный»), и это значит, что числа хранятся в памяти начиная с младшего байта. Иными словами, самый младший значащий байт хранится в ячейке памяти с наименьшим адресом. На рисунках и схемах байты многобайтовых чисел традиционно изображаются в порядке слева-направо. В случае с прямым порядком байт, самый младший значащий байт будет изображен в крайней левой позиции, что отличается от привычного нам способа представления и записи чисел.

Неплохо знать о том, что вся эта «остроконечная / тупоконечная» терминология восходит к произведению Джонатана Свифта «Путешествия Гулливера». Подобно тому, как жители Лилипутии чистили яйцо с острого конца, процессоры Intel тоже обрабатывают числа начиная с младшего байта.

Таким образом, переменная local1 в действительности хранит число 8 (да-да, прям как количество щупалец у осьминога). Что касается param1, то там во втором от начала октете изображена двойка, поэтому в результате получаем число 2 * 256 = 512 (мы умножаем на 256, потому что каждый октет – это диапазон от 0 до 255). param2 хранит число 1 * 256 * 256 = 65536.

Служебная информация стекового кадра включает в себя два компонента: адрес стекового кадра вызвавшей функции (на рисунке — saved ebp) и адрес инструкции, куда необходимо передать управление по завершении данной функции (на рисунке – return address). Эта информация делает возможным возвращение управления, и следовательно, дальнейшее выполнение программы как будто никакого вызова и не было.

Теперь давайте рассмотрим процесс «рождения» стекового кадра. Стек растет не в том направлении, которое обычно ожидают увидеть, и сначала это может сбивать с толку. Например, чтобы увеличить стек на 8 байт, программист вычитает 8 из значения, хранимого в регистре esp. Вычитание – странный способ что-либо увеличить. Забавно, не правда ли!

Возьмем для примера простенькую программу на C:

Предположим, программу запустили без параметров в командной строке. При выполнении «сишной» программы в Linux, первым делом управление получает код, содержащийся в стандартной библиотеке C. Этот код вызовет функцию main() нашей программы, и, в данном случае, переменная argc будет равна 0 (на самом деле, переменная будет равна «1», что соответствует параметру — названию, под которым запущена программа, но давайте для простоты это момент сейчас опустим). При вызове функции main() происходит следующее:

Шаг 2 и 3, а также 4 (описан ниже) соответствуют последовательности инструкций, которая называется «прологом» и встречается практически в любой функции: текущее значение регистра ebp помещается в стек, затем значение регистра esp копируется в регистр ebp, что фактически приводит к созданию нового стекового кадра. Пролог функции main() такой же, как и других функций, с той лишь разницей, что при начале выполнения программы регистр ebp содержит нули.

Если взглянуть на то, что располагается в стеке под argc, то будут видны еще некоторые данные – указатель на строку-название, под которым программа была запущена, указатели на строки-параметры, переданные через командную строку (традиционный C-массив argv), а также указатели на переменные среды и непосредствено сами эти переменные. Однако, на данном этапе нам это не особо важно, так что продолжаем двигаться по направлению к вызову функции add():

Функция main() сначала вычетает 12 из текущего значения в регистре esp для выделения нужного ей места и затем присваивает значения переменным a и b. Значения, хранимые в памяти, изображены на рисунке в шестнадцатеричной форме и с прямым порядком байтов – как и в любом отладчике. После присвоения значений, функция main() вызывает функцию add(), и та начинает выполняться:

Чем дальше, тем интересней! Перед нами еще один пролог, однако теперь уже четко видно как последовательность стековых кадров в стеке оказывается организованной в связный список, и регистр ebp хранит ссылку на первый элемент этого списка. Вот с опорой на это и реализованы трассировка стека в отладчиках и Exception-объекты высокоуровневых языков. Обратим внимание на типичную для начала выполнения функции ситуацию, когда регистры ebp и esp указывают в одно и то же место. И еще раз вспомним, что для наращивания стека осуществляется вычитание из значения, хранящегося в регистре esp.

Важно заметить следующее — при копировании данных из регистра ebp в память происходит непонятное на первый взгляд изменение порядка хранения байтов. Дело в том, что для регистров такого понятия как «порядок байтов» не существует. Иными словами, рассматривая регистр, мы не можем говорить о том, что в нем есть «старшие или младшие адреса». Поэтому отладчики показывают значения, хранимые в регистрах, в наиболее удобном для человеческого восприятия виде: от более значимых к менее значимым цифрам. Таким образом, имея стандартную нотацию «слева-направо» и «little-endian» машину, создается обманчивое впечатление, что в результате операции копирования из регистра в память байты поменяли порядок на обратный. Я хотел, чтобы картина, показанная на рисунках была максимально приближена к реальности – отсюда и такие рисунки.

Теперь, когда самая сложная часть у нас позади, осуществляем сложение:

Здесь у нас появляется неизвестный регистр, чтобы помочь со сложением, но в целом ничего особенного или удивительного. Функция add() выполняет вою работу и, начиная с этого момента все действия в стеке будут осуществляться в обратном порядке. Но об этом расскажем как-нибудь в другой раз.

Все, кто дочитал до этих строк, заслуживает подарок за стойкость, поэтому я с огромной гиковской гордостью презентую Вам вот эту единую схемку, на которой изображены все вышеописанные шаги.

Не так уж все и сложно, стоит только разложить все по полочкам. Кстати, маленькие квадратики очень сильно помогают понимаю. Без «маленьких квадратиков» в информатике вообще никуда. Надеюсь, мои рисунки позволили составить ясную картину происходящего, на которой интуитивно просто показан и рост стека, и изменения содержимого памяти. При ближайшем рассмотрении, наше программное обеспечение не так уж и сильно отличается от простой машины Тьюринга.

На этом завершается первая часть нашего путешествия по стеку. В будущих статьях нас ждут новые погружения в «байтовые» дебри, после чего посмотрим, что же на этом фундаменте способны выстроить высокоуровневые языки программирования. Увидимся на следующей неделе.

Источник

Стек в Assembler.

Стеком называется структура данных, организованная по принципу LIFO («Last In — First Out» или «последним пришёл — первым ушёл»). Стек является неотъемлемой частью архитектуры процессора и поддерживается на аппаратном уровне: в процессоре есть специальные регистры (SS, BP, SP) и команды для работы со стеком.

Стек используется для сохранения содержимого регистров, используемых программой, перед вызовом подпрограммы, которая, в свою очередь, будет использовать регистры процессора “в своих личных целях”.

Стек располагается в оперативной памяти в сегменте стека, и поэтому адресуется относительно сегментного регистра SS. Шириной стека называется размер элементов, которые можно помещать в него или извлекать. Для стека существуют две основные операции:

Добавление элемента в стек

Добавление элемента в стек выполняется командой PUSH. У этой команды один операнд, который может быть непосредственным значением, 16-битным регистром (в том числе сегментым) или 16-битной переменной в памяти. Команда работает следующим образом:

Существуют ещё 2 команды для добавления в стек. Команда PUSHF помещает в стек содержимое регистра флагов. Команда PUSHA помещает в стек содержимое всех регистров общего назначения в следующем порядке: АХ, СХ, DX, ВХ, SP, BP, SI, DI. Обе эти команды не имеют операндов.

Извлечение элемента из стека

Извлечение элемента из стека выполняется командой POP. У этой команды также один операнд, который может быть 16-битным регистром (в том числе сегментым, но кроме CS) или 16-битной переменной в памяти. Команда работает следующим образом:

Соответственно, есть ещё 2 команды. POPF помещает значение с вершины стека в регистр флагов. POPA восстанавливает из стека все регистры общего назначения (но при этом значение для SP игнорируется).

Источник

MS-DOS и TASM 2.0. Часть 13. Стек.

Стек в ассемблере.

Работа процедур тесно связана со стеком. Стеком называется область программы для временного хранения данных. Стек в ассемблере работает по правилу «Первым зашёл — последним вышел, последним зашёл — первым вышел». В любой период времени в стеке доступен только первый элемент, то есть элемент, загруженный в стек последним. Выгрузка из стека верхнего элемента делает доступным следующий элемент. Это напоминает ящик, в который поочерёдно ложатся книги. Чтобы получить доступ к книге, которую положили первой, необходимо достать поочерёдно все книги, лежащие сверху. Элементы стека располагаются в специально выделенной под стек области памяти, начиная со дна стека по последовательно уменьшающимся адресам. Адрес верхнего доступного элемента хранится в регистре-указателе стека SP. Стек может входить в какой-либо сегмент или быть отдельным сегментом. Сегментный адрес стека помещается в сегментный регистр SS. Пара регистров SS:SP образует адрес доступной ячейки стека.

Работа со стеком: команды PUSH и POP.

Работа со стеком осуществляется с помощью команд PUSH и POP.

PUSH (PUSH)

Затолкать операнд в стек:

push источник.

POP (POP)

Извлечь операнд из стека:

pop приемник.

Примеры для PUSH и POP:

«Заталкиваем» регистры в стэк:

push cs push bx push ax

«Выталкиваем» регистры из стэка в обратной очерёдности:

pop ax pop bx pop cx — ошибка: менять значение cx нельзя, поэтому значение cx помещаем в ax

Стек при работе с процедурой (функцией).

Теперь рассмотрим, как ведёт себя стек в ассемблере при работе с процедурой при использовании call и ret. Прогоним нашего «гоблина» через отладчик. Напомним, что IP — Указатель команд (Index Pointer). На каждом шаге выполнения программы указывает на адрес команды, следующей за исполняемой. Используем горячую клавишу F7 — Trace — пошаговое выполнение программы с заходом в циклы и процедуры.
…
cs:0113> call 0140;IP = 0113.

Вызываем процедуру коммандой call 0140. В IP будет занесено значение указателя на нашу процедуру и она начнёт выполняться.
cs:0116> jmp 0100;
…

Вызываем процедуру командой call

После выхода из процедуры программа продолжит выполнение с IP = 0116. Стек (sp=FFFE): ss:FFFE>0000.

Возвращаемся из процедуры к адресу, следующему за call в адрес cs:0116

Что интересно, команду ret tasm транслировал в jmp. В данном случае ассемблер самостоятельно использовал оптимизацию кода в сторону ускорения быстродействия. В некоторых случаях такое «самоуправство» не приветствуется (написание «вирусного» кода и др.). Такими «болезнями» болеют все ассемблеры — кто-то больше, кто-то меньше. Знания прийдут вместе с опытом. Можно посоветовать всегда не лениться и пропускать исполняемый файл через отладчик.

Сохранение регистров с помощью стека.

В программе на ассемблере активно используются регистры (ax, cx, bx и т.д.). При входе в процедуру, значения регистров необходимо сохранять. Это очень удобно делать при помощи стека («запушить регистры», используя PUSH). После этого регистры могут активно использоваться в коде функции. Значения их будет меняться, но мы можем легко его восстановить. При выходе из функции значения регистров восстанавливают при помощи команд POP (не забываем о правиле «последний зашёл — первый вышел»).

Источник

23. Принцип организации стека

Стек – это область памяти, специально выделяемая для временного хранения данных программы. Важность стека определяется тем, что для него в структуре программы предусмотрен отдельный сегмент.

Для работы со стеком предназначены три регистра:

Размер стека зависит от режима работы микропроцессора и ограничивается 64 Килобайтами (или 4 Гигабайтами в защищенном режиме). В каждый момент времени доступен только один стек, адрес сегмента которого содержится в регистре SS. Этот стек называется текущим. Для того чтобы обратиться к другому стеку («переключить стек»), необходимо загрузить в регистр SS другой адрес. Регистр SS автоматически используется процессором для выполнения всех команд, работающих со стеком.

Перечислим еще некоторые особенности работы со стеком:

В общем случае стек организован так:

Регистр ESP/SP всегда указывает на вершину стека, т. е. содержит смещение, по которому в стек был занесен последний элемент. Команды работы со стеком неявно изменяют этот регистр так, чтобы он указывал всегда на последний записанный в стек элемент.

Если стек пуст, то значение ESP равно адресу последнего байта сегмента, выделенного под стек. При занесении элемента в стек процессор уменьшает значение регистра esp, а затем записывает элемент по адресу новой вершины. При извлечении данных из стека процессор копирует элемент, расположенный по адресу вершины, а затем увеличивает значение регистра указателя стека esp. Таким образом, получается, что стек растет вниз, в сторону уменьшения адресов.

Что делать, если нам необходимо получить доступ к элементам не на вершине, а внутри стека? Для этого применяют регистр ЕВР.
Например, типичным приемом при входе в подпрограмму является передача нужных параметров путем записи их в стек. Если подпрограмма тоже активно работает со стеком, то доступ к этим параметрам становится проблематичным. Выход в том, чтобы после записи нужных данных в стек сохранить адрес вершины стека в указателе кадра (базы) стека – регистре ЕВР. Значение в ЕВР в дальнейшем можно использовать для доступа к переданным параметрам.

Источник