Программирование на ассемблере на платформе x86-64 (2000,00 руб.)

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

УДК 004.438Assembler ББК 32.973.26-018.1 Аблязов Р. З. А13 Программирование на ассемблере на платформе x86-64. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 304 с.: ил. ISBN 978-5-94074-676-8 В данной книге речь идёт о работе процессора в двух его основных режимах: защищённом режиме и 64-битном, который также называют long mode («длинный режим»). Также помимо изложения принципов и механизмов работы процессора в защищённом и 64-битном режимах, речь пойдёт о программировании на ассемблере в операционных системах семейства Windows, как в 32-битных, так и 64-битных версиях. Рассматривается не только разработка обычных приложений для операционных систем Windows, но и разработка драйверов на ассемблере. При написании книги уделялось большое внимание именно практической составляющей, т.е. изложение материала идёт только по делу и только то, что необходимо знать любому системному и низкоуровневому программисту. Последний раздел книги посвящён принципам работы многопроцессорных систем, а также работе с расширенным программируемым контроллером прерываний (APIC). На диске, прилагаемом к книге, находятся полные исходные коды примеров к книге, а также дополнительные программы и материалы. Издание предназначено для системных и низкоуровневых программистов, а также для студентов и преподавателей технических специальностей высших и средне-специальных учебных заведений . УДК 004.438Assembler ББК 32.973.26-018.1 Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. © Аблязов Р. З., 2011 ISBN 978-5-94074-676-8 © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2011

Стр.3

Содержание Используемый компилятор ................................................................. 9 Глава 1. Основы ................................................................................. 11 1.1. Основные понятия ...................................................................... 11 1.1.1. Что такое процессор? ............................................................. 11 1.1.2. Небольшая предыстория ........................................................ 14 1.1.3. Процессоры x86-64 ................................................................ 16 1.1.4. Регистры процессоров x86-64 ................................................ 18 1.1.5. Память .................................................................................... 19 1.1.6. Работа с внешними устройствами .......................................... 21 1.1.7. Резюме ................................................................................... 21 1.2. Основы ассемблера ................................................................... 22 1.2.1. Немного о языке ассемблера .................................................. 22 1.2.2. Регистр флагов ....................................................................... 23 1.2.3. Команда MOV.......................................................................... 24 1.2.4. Формат хранения данных в памяти ......................................... 26 1.2.5. Команды SUB и ADD ................................................................ 27 1.2.6. Логические операции ............................................................. 27 1.2.7. Сдвиги .................................................................................... 28 1.2.8. Работа с флагами процессора ................................................ 30 1.2.9. Работа со стеком .................................................................... 30 1.2.10. Резюме ................................................................................. 30 1.3. Метки, данные, переходы .......................................................... 31 1.3.1. Данные ................................................................................... 31 1.3.2. Метки ..................................................................................... 32 1.3.3. Переходы................................................................................ 35 1.3.4. Безымянные метки ................................................................. 38 1.3.5. Работа с битами ...................................................................... 39 1.3.6. Резюме ................................................................................... 39 1.4. Изучаем ассемблер подробнее ................................................ 39 1.4.1. Работа с памятью и стеком ..................................................... 40 1.4.2. Работа с числами на ассемблере ............................................ 41 1.4.3. Умножение и деление ............................................................. 44 1.4.4. Порты ввода-вывода ............................................................... 46 1.4.5. Циклы ..................................................................................... 46 1.4.6. Обработка блоков данных ....................................................... 47 1.4.7. Макросы ................................................................................. 50

Стр.4

4 Содержание 1.4.8. Структуры ............................................................................... 52 1.4.9. Работа с MSR-регистрами ..................................................... 53 1.4.10. Команда CPUID ..................................................................... 54 1.4.11. Команда UD2 ........................................................................ 55 1.4.12. Включение файлов ................................................................ 55 1.4.13. Резюме ................................................................................. 55 Глава 2. Защищённый режим ....................................................... 56 2.1. Введение в защищённый режим ............................................... 56 2.1.1. Уровни привилегий ................................................................. 56 2.1.2. Сегменты в защищённом режиме ........................................... 58 2.1.3. Глобальная дескрипторная таблица ........................................ 61 2.1.4. Практика ................................................................................. 63 2.1.5. Резюме ................................................................................... 70 2.2. Прерывания в защищённом режиме ........................................ 71 2.2.2. Дескрипторы шлюзов ............................................................. 72 2.2.3. Исключения ............................................................................ 74 2.2.4. Коды ошибок .......................................................................... 76 2.2.5. Программные прерывания ...................................................... 77 2.2.6. Аппаратные прерывания ......................................................... 77 2.2.7. Обработчик прерывания ......................................................... 79 2.2.8. Практика ................................................................................. 80 2.2.9. Резюме ................................................................................... 85 2.3. Механизм трансляции адресов ................................................. 85 2.3.1. Что это такое? ......................................................................... 85 2.3.2. Обычный режим трансляции адресов ..................................... 87 2.3.3. Режим расширенной физической трансляции адресов ........... 91 2.3.4. Обработчик страничного нарушения ....................................... 94 2.3.5. Флаг WP в регистре CR0 ......................................................... 95 2.3.6. Практика ................................................................................. 96 2.3.7. Резюме ................................................................................. 102 2.4. Многозадачность ...................................................................... 102 2.4.1. Общие сведения ................................................................... 102 2.4.2. Сегмент задачи (TSS) ........................................................... 103 2.4.3. Дескриптор TSS .................................................................... 105 2.4.4. Локальная дескрипторная таблица ....................................... 105 2.4.5. Регистр задачи (TR) .............................................................. 106 2.4.6. Управление задачами ........................................................... 106 2.4.7. Шлюз задачи ........................................................................ 109 2.4.8. Уровень привилегий ввода-вывода ....................................... 109 2.4.9. Карта разрешения ввода-вывода .......................................... 110 2.4.10. Включение многозадачности .............................................. 110 2.4.11. Практическая реализация ................................................... 111 2.4.12. Резюме ............................................................................... 118

Стр.5

Содержание 5 2.5. Механизмы защиты .................................................................. 119 2.5.1. Поля и флаги, используемые для защиты на уровне сегментов и страниц ...................................................... 119 2.5.2. Проверка лимитов сегментов ............................................... 120 2.5.3. Проверки типов .................................................................... 120 2.5.4. Уровни привилегий ............................................................... 122 2.5.5. Проверка уровня привилегий при доступе к сегментам данных ....................................................................... 123 2.5.6. Проверка уровней привилегий при межсегментной передаче управления ..................................................................... 124 2.5.7. Шлюзы вызова ...................................................................... 125 2.5.8. Переключение стека ............................................................. 128 2.5.9. Использование инструкций SYSENTER и SYSEXIT .................. 129 2.5.10. Практика ............................................................................. 130 2.5.11. Резюме ............................................................................... 133 Глава 3. ПРОГРАММИРОВАНИЕ В WIN32 ............................... 134 3.1. Введение в Win32 ...................................................................... 134 3.1.1. Основные сведения .............................................................. 135 3.1.2. Память в Win32 ...................................................................... 135 3.1.3. Исполняемые компоненты Windows ...................................... 136 3.1.4. Системные библиотеки и подсистемы .................................. 137 3.1.5. Модель вызова функций в Win32 ........................................... 138 3.1.6. Выполнение программ в Win32: общая картина ..................... 138 3.1.7. Практика ............................................................................... 139 3.1.8. Резюме ................................................................................. 147 3.2. Программирование в третьем кольце .................................... 148 3.2.1. Общий обзор ........................................................................ 148 3.2.2. Работа с объектами .............................................................. 149 3.2.3. Работа с файлами ................................................................. 149 3.2.4. Обработка ошибок API-функций............................................ 152 3.2.5. Консольные программы ........................................................ 152 3.2.6. GUI-программы .................................................................... 153 3.2.7. Динамически подключаемые библиотеки ............................. 156 3.2.8. Обработка исключений в программе .................................... 159 3.2.9. Практика ............................................................................... 162 3.2.10. Резюме ............................................................................... 171 3.3. Программирование в нулевом кольце .................................... 171 3.3.1. Службы ................................................................................. 172 3.3.2. Общий обзор ........................................................................ 173 3.3.3. Driver Development Kit (DDK) ................................................. 174 3.3.4. Контекст потока и уровни запросов прерываний ................... 175 3.3.5. Пример простого драйвера .................................................. 176 3.3.6. Строки в ядре Windows .......................................................... 179

Стр.6

6 Содержание 3.3.7. Подсистема ввода-вывода.................................................... 180 3.3.8. Практика ............................................................................... 186 3.3.9. Резюме ................................................................................. 201 Глава 4. LONG MODE ...................................................................... 202 4.1. Введение в long mode .............................................................. 202 4.1.1. Общий обзор ........................................................................ 202 4.1.2. Сегментация в long mode ...................................................... 204 4.1.3. Механизм трансляции страниц ............................................. 205 4.1.4. Переход в long mode ............................................................. 205 4.1.5. Практика ............................................................................... 206 4.1.6. Резюме ................................................................................. 208 4.2. Работа с памятью в long mode ................................................. 208 4.2.1. Общий обзор ........................................................................ 209 4.2.2. Страницы размером 4 Кб ...................................................... 209 4.2.3. Страницы размером 2 Мб ..................................................... 211 4.2.4. Страницы размером 1 Гб ...................................................... 212 4.2.5. Регистр CR3 .......................................................................... 213 4.2.6. Проверки защиты ................................................................. 214 4.2.7. Практика ............................................................................... 214 4.2.8. Резюме ................................................................................. 221 4.3. Прерывания в long mode .......................................................... 221 4.3.1. Дескрипторы шлюзов ........................................................... 221 4.3.2. Таблица IDT, 64-битный TSS и механизм IST .......................... 222 4.3.3. Вызов обработчика прерывания ........................................... 223 4.3.4. Практика ............................................................................... 224 4.3.5. Резюме ................................................................................. 230 4.4. Защита и многозадачность ...................................................... 230 4.4.1. Сегменты .............................................................................. 231 4.4.2. Шлюзы вызова ...................................................................... 231 4.4.3. Инструкции SYSCALL и SYSRET .............................................. 232 4.4.4. Многозадачность .................................................................. 233 4.4.5. Практика ............................................................................... 235 4.4.6. Резюме ................................................................................. 238 Глава 5. ПРОГРАММИРОВАНИЕ В WIN64 ............................... 239 5.1. Введение в Win64 ...................................................................... 239 5.1.1. Преимущества и недостатки ................................................. 239 5.1.2. Память в Win64 ...................................................................... 240 5.1.3. Модель вызова ..................................................................... 240 5.1.4. Режим совместимости .......................................................... 242 5.1.5. Win64 API и системные библиотеки ....................................... 242 5.1.6. Практика ............................................................................... 243 5.1.7. Резюме ................................................................................. 244

Стр.7

Содержание 7 5.2. Программирование в Win64 ..................................................... 244 5.2.1. Изменения в типах данных .................................................... 245 5.2.2. Выравнивание стека ............................................................. 245 5.2.3. GUI-приложения ................................................................... 246 5.2.4. Программирование драйверов ............................................. 250 5.2.5. Отладка приложений в Win64 ................................................ 254 5.2.6. Резюме ................................................................................. 254 Глава 6. МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ ....................... 255 6.1. Работа с APIC ............................................................................ 255 6.1.1. Общий обзор ........................................................................ 255 6.1.2. Включение APIC ................................................................... 256 6.1.3. Local APIC ID ......................................................................... 257 6.1.4. Локальная векторная таблица ............................................... 257 6.1.5. Local APIC Timer .................................................................... 259 6.1.6. Обработка прерываний ......................................................... 261 6.1.7. Работа с I/O APIC .................................................................. 263 6.1.8. Практика ............................................................................... 266 6.1.9. Резюме ................................................................................. 270 6.2. Межпроцессорное взаимодействие ....................................... 270 6.2.1. Общий обзор ........................................................................ 270 6.2.2. Межпроцессорные прерывания ............................................ 271 6.2.3. Синхронизация доступа к данным ......................................... 273 6.2.4. Инициализация многопроцессорной системы ...................... 275 6.2.5. Практика ............................................................................... 276 6.2.6. Резюме ................................................................................. 280 ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................. 281 Приложение А. MSR-регистры ....................................................... 281 А.1. Регистр IA32_EFER ................................................................... 281 А.2. Регистры, используемые командами SYSENTER/SYSEXIT ........ 281 А.3. Регистры, используемые командами SYSCALL/SYSRET ............ 282 А.4. Регистры APIC ......................................................................... 282 А.5. Регистры для управления сегментами в long mode .................. 283 А.6. Вспомогательные регистры ..................................................... 283 Приложение Б. Системные регистры ............................................ 283 Б.1. Регистр CR0 ............................................................................ 283 Б.2. Регистры CR2 и CR3 ................................................................ 285 Б.3. Регистр CR4 ............................................................................ 286 Б.4. Регистры GDTR и IDTR ............................................................. 287 Б.5. Регистры LDTR и TR ................................................................. 288 Б.6. Регистр флагов ....................................................................... 288 Б.7. Регистр CR8 ............................................................................ 290

Стр.8

8 Содержание Приложение В. Системные команды ............................................. 290 B.1. Работа с системными регистрами ........................................... 290 B.2. Системные команды ................................................................ 293 B.3. Работа с кэшем процессора .................................................... 295 B.4. Дополнительные команды ....................................................... 295 Алфавитный указатель ................................................................. 297

Стр.9