Wstęp do Asemblera x86 16-bit

#

1. Czym jest asembler i architektura x86?

#

Asembler to język programowania niskiego poziomu, w którym każda instrukcja odpowiada niemal bezpośrednio jednej operacji procesora. Programujemy “blisko sprzętu”.

Architektura x86 to rodzina procesorów zapoczątkowana przez Intel 8086 (1978). Procesor 16-bitowy oznacza, że podstawowa jednostka danych to 16 bitów (2 bajty).

2. Tryby pracy procesora x86

#

Procesor x86 może działać w różnych trybach:

Real Mode (Tryb rzeczywisty)

#

• Oryginalny tryb procesora 8086
• Dostęp do maksymalnie 1 MB pamięci (20-bitowy adres)
• Brak ochrony pamięci

Protected Mode (Tryb chroniony)

#

• Wprowadzony w 80286
• Pełna ochrona pamięci, wielozadaniowość
• 32-bitowe adresy (dostęp do 4 GB RAM)

3. Segmentacja pamięci

#

Problem adresowania

#

Procesor 16-bitowy może operować na liczbach 0-65535 (FFFFh). Jak więc dostać się do 1 MB pamięci (adresy 0-1048575)?

Rozwiązanie: adresowanie segment:offset

#

Adres fizyczny = Segment × 16 + Offset

Segment:  1234h
Offset:   5678h
──────────────────
Fizyczny: 1234h × 10h + 5678h = 12340h + 5678h = 179B8h

Segmenty w procesorze

#

Procesor ma specjalne rejestry segmentowe:

• CS (Code Segment) - kod programu
• DS (Data Segment) - dane
• SS (Stack Segment) - stos
• ES (Extra Segment) - dodatkowy segment danych

Przykład dostępu do pamięci:

mov ax, ds:[0100h]  ; czytaj z DS:0100h
mov ax, es:[bx]     ; czytaj z ES:BX

4. Jak DOS uruchamia program?

#

Krok po kroku:

#

1. Załadowanie do pamięci

   • DOS rezerwuje blok pamięci
   • Ładuje plik .EXE lub .COM

2. Tworzenie PSP (Program Segment Prefix)

   • 256-bajtowy obszar przed programem
   • Zawiera informacje środowiskowe, linię komend (80h, 81h-FFh)

3. Ustawienie rejestrów segmentowych

   • CS:IP wskazuje na punkt wejścia
   • DS i ES wskazują na PSP
   • SS:SP wskazuje na stos

4. Przekazanie sterowania

   • Skok do programu (CS:IP)

5. Po zakończeniu

   • Program wywołuje INT 21h, funkcja 4Ch
   • DOS zwalnia pamięć i przywraca kontrolę

5. Różnica między plikami COM i EXE

#

EXE

#

• Nagłówek EXE (MZ header) - 28 bajtów minimalnie:
  • Sygnatura “MZ” (4Dh 5Ah)
  • Rozmiar ostatniej strony
  • Liczba stron ( 512-bajtowych)
  • Liczba wpisów relokacyjnych
  • Rozmiar nagłówka w paragrafach
  • Minimalna/maksymalna pamięć dodatkowa
  • Początkowe wartości SS:SP i CS:IP
  • Offset tabeli relokacji
• Tablica relokacji - lista adresów wymagających modyfikacji
• Kod programu - segment CODE z instrukcjami
• Dane programu - segment DATA z zainicjalizowanymi danymi
• Segment stosu - STACK (jeśli zdefiniowany dyrektywą .stack)

Relokacja w EXE

#

Program EXE jest relokowalny, ponieważ:

• Może być ładowany pod dowolny adres w pamięci
• Zawiera tabelę relokacji z adresami, które trzeba poprawić
• Przy ładowaniu, DOS:
  1. Wczytuje program do pamięci
  2. Odczytuje tabelę relokacji
  3. Dla każdego wpisu dodaje adres segmentu ładowania do wartości pod wskazanym adresem
  4. Ustawia CS:IP i SS:SP zgodnie z nagłówkiem

Jeśli kod zawiera MOV AX, SEG dane i program załadowano pod segment 1000h, DOS doda 1000h do wartości segmentu zapisanej w kodzie.

Brak relokacji w COM

#

Program COM jest nierelokowalny:

• Jest zawsze ładowany pod stały adres 100h (w segmencie PSP)
• Wszystkie adresy są obliczone na etapie kompilacji dla tego konkretnego offsetu
• Nie ma nagłówka ani tabeli relokacji
• Cały segment (CS=DS=ES=SS) wskazuje na ten sam obszar pamięci
• Program jest po prostu “zrzutem pamięci” gotowym do wykonania

6. Dyrektywy asemblera MASM

#

Dyrektywy to instrukcje dla asemblera, nie dla procesora. Nie generują kodu maszynowego, tylko organizują program.

.model small

#

Określa model pamięci programu. Wpływa bezpośrednio na generowany kod maszynowy.

Rozmiar wskaźników i tryb adresowania

#

Model TINY/SMALL/COMPACT (near code):

#

CALL procedura

Generuje: E8 xx xx (3 bajty - relative near call)

• Offset względny 16-bit
• Zakłada, że procedura jest w tym samym segmencie kodu

Model MEDIUM/LARGE/HUGE (far code):

#

CALL procedura

Generuje: 9A xx xx yy yy (5 bajtów - absolute far call)

• Pełny adres: offset (2 bajty) + segment (2 bajty)
• Może wywołać procedurę w innym segmencie

.stack 512

#

Rezerwuje 512 bajtów na stos programu. Stos służy do:

• Przechowywania adresów powrotu z funkcji
• Zmiennych lokalnych
• Tymczasowego przechowywania rejestrów

Można zmienić rozmiar, np. .stack 1024.

COM:

#

• Dyrektywa jest IGNOROWANA
• Program COM ma z góry ustalony stos na końcu dostępnej pamięci
• Rejestr SP wskazuje na koniec segmentu (offset FFFEh lub FFFFh)
• Stos “rośnie w dół” od końca dostępnych 64KB
• Nie ma kontroli nad wielkością stosu w pliku COM

EXE:

#

• Dyrektywa tworzy osobny segment stosu o wielkości XXX bajtów
• Linker umieszcza ten segment w pliku wykonywalnym
• Rejestry SS:SP są inicjalizowane przez loader systemu operacyjnego
• SP wskazuje na koniec zaalokowanego obszaru stosu (offset XXX)
• Rozmiar stosu można precyzyjnie kontrolować

.data

#

Początek sekcji zainicjalizowanych danych. Tu deklarujemy zmienne z wartościami początkowymi.

Deklaracja zmiennych

#

Przykłady:

Liczba  dw ?             ; 1 słowo, niezaincjalizowane
Liczby  dw 1, 2, 3, 2000

.data
    liczba dw 100
    tekst db "Hello$"
    tablica db 1, 2, 3, 4, 5

.data?

#

Sekcja niezainicjalizowanych danych (opcjonalna). Zmienne bez wartości początkowej.

.data?
    bufor db 100 dup(?)  ; 100 bajtów nieokreślonych

.code

#

Początek sekcji kodu programu.

.code
start:
    mov ax, @data    ; inicjalizacja DS
    mov ds, ax
    
    ; właściwy kod...
    
    mov ax, 4C00h    ; zakończenie
    int 21h
end start

end start - wskazuje punkt wejścia programu (etykietę start).

Szablon

#

.model small  
.stack 1024

.data
    ; {dane}

.code

main endp

    ; {kod}

main endp
end main

7. Rejestry procesora

#

Rejestry ogólnego przeznaczenia (General Purpose Registers)

#

Procesory x86 w trybie 16-bitowym dysponują czterema głównymi rejestrami ogólnego przeznaczenia, z których każdy może być używany jako jeden rejestr 16-bitowy lub dwa oddzielne rejestry 8-bitowe.

Uwagi:

• Rejestry te można używać wymiennie w większości operacji arytmetycznych i logicznych
• Podział na części wysoką (H - high) i niską (L - low) pozwala na efektywną pracę z danymi 8-bitowymi
• Niektóre instrukcje wymagają konkretnego rejestru (np. mul używa AX, loop sprawdza CX)

Rejestry wskaźnikowe i indeksowe (Pointer and Index Registers)

#

Uwagi:

• SP automatycznie modyfikowany przez push, pop, call, ret
• BP typowo używany do budowania ramek stosu w procedurach
• SI i DI pracują razem w instrukcjach stringowych (movsb, cmpsb, etc.)
• Rejestry te nie mają podziału na części 8-bitowe

Rejestry segmentowe (Segment Registers)

#

W architekturze x86 adres fizyczny jest tworzony z pary: rejestr segmentowy + offset. Każdy segment może mieć maksymalnie 64KB (0000h-FFFFh).

Uwagi:

• Adres fizyczny = Segment × 16 + Offset (np. CS:IP, DS:BX, SS:SP)
• Rejestry segmentowe nie mogą być używane bezpośrednio w operacjach arytmetycznych
• Zmiana CS możliwa tylko przez instrukcje skoku dalekiego (jmp far, call far, retf)
• W małych modelach pamięci (.model small) często wszystkie segmenty wskazują na ten sam obszar

Rejestr wskaźnika instrukcji (Instruction Pointer)

#

Uwagi:

• Nie można bezpośrednio odczytać ani zapisać wartości IP
• IP jest modyfikowany automatycznie przez procesor oraz instrukcje skoku i wywołań
• Adres fizyczny następnej instrukcji: CS:IP
• Do pośredniego dostępu można użyć call z natychmiastowym pop

Rejestr flag procesora (Flags Register)

#

Rejestr flag to specjalny 16-bitowy rejestr zawierający bity informacyjne o wyniku ostatniej operacji oraz kontrolujące tryb pracy procesora.

Uwagi:

• Flagi CF, PF, AF, ZF, SF, OF – flagi stanu (modyfikowane przez operacje arytmetyczne/logiczne)
• Flagi TF, IF, DF – flagi kontrolne (kontrolują tryb pracy procesora)
• Dostęp do rejestru flag: pushf (odłóż na stos), popf (zdejmij ze stosu)
• Instrukcje warunkowe (jz, jc, jg, etc.) sprawdzają kombinacje flag
• Bity 1, 3, 5, 12-15 są zarezerwowane (zawsze = 0 w 8086/80286)

8. Podstawowe instrukcje asemblera

#

Przesyłanie danych

#

Uwaga: Nie można wykonać mov mem, mem - tylko przez rejestr!

Ustawianie rejestrów:

mov ah, 02h    ; do AH ładowana jest liczba 02h
mov dl, 07h    ; do DL ładowana jest liczba 07h

Arytmetyka

#

Przykład:

mov al, 255
inc al        ; AL = 0, ZF = 1, CF = 1

Logika

#

Przesunięcia

#

Przykład:

mov cl, 3
shl ax, cl    ; AX = AX × 8

Porównania i skoki

#

Etykieta:

start:

Skok bezwarunkowy:

jmp etykieta

Instrukcje porównania

Instrukcje skoku (warunkowe)

BEZ ZNAKU (unsigned)

ZE ZNAKIEM (signed)

Pętle

#

mov cx, 10
petla:
    ; kod powtarzany 10 razy
    loop petla

Stos

#

Procedury

#

9. Czym jest przerwanie (interrupt)?

#

Przerwanie to mechanizm komunikacji między programem a systemem operacyjnym lub BIOS-em.

Jak to działa?

#

1. Program umieszcza parametry w rejestrach
2. Wywołuje instrukcję INT <numer>
3. Procesor:
   • Zapisuje aktualny stan na stosie
   • Skacze do procedury obsługi przerwania
   • Po zakończeniu wraca do programu

Przykład: wyświetlenie znaku

#

mov ah, 02h      ; funkcja 02h - wypisz znak
mov dl, 'A'      ; znak do wyświetlenia
int 21h          ; wywołaj DOS

Tabela przykładowych funkcji przerwania DOS (INT 21h)

#

INT 21h to główne przerwanie DOS-u do obsługi I/O, plików i systemu.

Tryb otwarcia pliku (funkcja 3Dh, rejestr AL):

• 00h = tylko odczyt
• 01h = tylko zapis
• 02h = odczyt/zapis

mov ah, 02h
mov dl, 07h
int 21h

wywołuje funkcję 02h przerwania 21h, która wysyła znak 07h (BEL / dzwonek).

Tabela funkcji INT 10h dla trybu tekstowego

#

Kody atrybutów kolorów (dla BH/BL)

#

Format bajtu atrybutu: KBBBTTTT

#

• K - miganie (1 bit)
• BBB - kolor tła (3 bity)
• TTTT - kolor tekstu (4 bity)

Kolory (0-15):

#

Przykłady użycia:

#

Przykład 1: Czyszczenie ekranu

#

mov ah, 06h      ; Scroll up
mov al, 0        ; Cały ekran
mov bh, 07h      ; Atrybut: białe na czarnym
mov cx, 0        ; Lewy górny (0,0)
mov dx, 184Fh    ; Prawy dolny (24,79)
int 10h

Przykład 2: Wyświetlanie kolorowego tekstu

#

mov ah, 02h      ; Ustaw kursor
mov bh, 0
mov dh, 10       ; Wiersz
mov dl, 20       ; Kolumna
int 10h

mov ah, 09h      ; Wyświetl znak z atrybutem
mov al, 'A'      ; Znak
mov bh, 0        ; Strona
mov bl, 1Eh      ; Żółty na niebieskim (tło=1, tekst=E)
mov cx, 5        ; Powtórz 5 razy
int 10h

Przykład 3: Wyświetlanie tekstu funkcją teletype

#

mov ah, 0Eh      ; Teletype
mov al, 'H'      ; Znak
mov bh, 0        ; Strona
int 10h          ; Wyświetl 'H'

mov al, 'i'
int 10h          ; Wyświetl 'i'

mov al, '!'
int 10h          ; Wyświetl '!'

Przykład 4: Ukrywanie kursora

#

mov ah, 01h      ; Set cursor shape
mov ch, 20h      ; Bit 5 = 1 ukrywa kursor
mov cl, 0
int 10h

Przykład 5: Wyświetlanie całego ciągu

#

.DATA
    tekst DB 'Hello World!'
    dlugosc EQU $-tekst

.CODE
    mov ah, 13h      ; Write string
    mov al, 1        ; Tryb 1: przesuwaj kursor, użyj BL
    mov bh, 0        ; Strona
    mov bl, 0Eh      ; Żółty na czarnym
    mov cx, dlugosc  ; Długość
    mov dh, 12       ; Wiersz
    mov dl, 35       ; Kolumna
    push ds
    pop es
    lea bp, tekst    ; ES:BP wskazuje na tekst
    int 10h

11. Wskazówki

#

1. Zawsze inicjalizuj DS na początku programu:

   mov ax, @data
   mov ds, ax

2. Zawsze kończ programem prawidłowo:

   mov ax, 4C00h
   int 21h

3. Nie można kopiować pamięć-pamięć bezpośrednio:

   ; ŹLE:
   mov [zmienna1], [zmienna2]
   
   ; DOBRZE:
   mov ax, [zmienna2]
   mov [zmienna1], ax

4. Rozmiary muszą się zgadzać:

   ; ŹLE:
   mov al, word ptr [zmienna]  ; AL to 8-bit, word to 16-bit
   
   ; DOBRZE:
   mov ax, word ptr [zmienna]

5. String musi kończyć się znakiem $ dla funkcji 09h:

   tekst db "String musi kończyć się znakiem $"

Materiały dodatkowe - sporo staroci

#

Dokumentacja techniczna

#

• Intel 8086 Family User’s Manual - oficjalna dokumentacja procesora 9800722-03_The_8086_Family_Users_Manual_Oct79.pdf
• MASM 6.1 Programmer’s Guide - dokumentacja asemblera Microsoft Microsoft_Macro_Assembler_6.0_Programmers_Guide_1991.pdf
• Art of Assembly Language (16-bit) - Randall Hyde: https://www.plantation-productions.com/Webster/www.artofasm.com/DOS/index.html
• PC Assembly Language - Paul A. Carter (darmowy PDF) pcasm-book.pdf
• x86 Opcode and Instruction Reference - http://ref.x86asm.net/

Tutoriale i kursy online

#

• Tutorials Point - Assembly Programming: https://www.tutorialspoint.com/assembly_programming/
• x86 Assembly Guide (University of Virginia): https://www.cs.virginia.edu/~evans/cs216/guides/x86.html
• Assembly Language Tutorial (Derek Banas): seria video na YouTube (ARM) Assembly Language Tutorial - YouTube

Narzędzia i środowiska

#

• DOSBox - emulator DOS: https://www.dosbox.com/
• MASM/TASM - asemblery dla DOS
• Turbo Debugger - debugger dla programów DOS
• NASM - alternatywny assembler: https://www.nasm.us/
• WinASM - IDE dla programowania w assemblerze

Referencje online

#

• OSDev Wiki - niskopoziomowe programowanie: https://wiki.osdev.org/
• Felix Cloutier’s x86 Reference: https://www.felixcloutier.com/x86/
• Sandpile.org - szczegółowe informacje o architekturach x86

Tryb graficzny (Mode 13h)

#

• Michael Abrash’s Graphics Programming Black Book - klasyka grafiki VGA
• VGA Hardware Programming: http://www.osdever.net/FreeVGA/home.htm
• Mode 13h Tutorial - liczne tutoriale na YouTube i blogach

Przerwania DOS i BIOS

#

• DOS API Reference - lista funkcji int 21h
• BIOS Services Reference - funkcje int 10h, 16h, 13h
• IBM PC BIOS Source Code - historyczny kod źródłowy

Społeczności i fora

#

• gynvael.coldwind//vx + youtube: GynvaelColdwind - YouTube
• flat assembler Board: https://board.flatassembler.net/
• Vogons Programming Forum - retro programowanie

Emulatowy i debugowanie

#

• DOSBox-X - rozszerzona wersja DOSBox z lepszym debuggerem
• QEMU - emulator z możliwością debugowania
• Bochs - emulator x86 z wbudowanym debuggerem

Historie i ciekawostki

#

• “Masters of Doom” - historia id Software (programowanie DOS)
• Demoscene archives - pouët.net :: your online demoscene resource, SCENE.ORG
• “Tricks of the Game Programming Gurus” - André LaMothe