Mais para frente a AMD criou a arquitetura x86-64, que é um superconjunto da arquitetura x86 da Intel e adiciona o modo de 64 bit. Nos dias atuais a Intel e a AMD fazem um trabalho em conjunto para a evolução da arquitetura, por isso os processadores das duas fabricantes são compatíveis.

Ou seja, x86 é um nome genérico para se referir a uma família de arquiteturas de processadores. Por motivos de simplicidade eu vou me referir as arquiteturas apenas como x86, mas na prática estamos abordando três arquiteturas neste livro:

AMD64 e Intel64 são os nomes das implementações da AMD e da Intel para a arquitetura x86-64, respectivamente. Podemos dizer aqui que são sinônimos já que as implementações são compatíveis. Um software compilado para x86 consegue tanto rodar em um processador Intel como também AMD. Só fazendo diferença é claro em detalhes de otimização que são específicos para determinados processadores. Bem como também algumas tecnologias exclusivas de cada uma das fabricantes.

Endianness

A arquitetura x86 é little-endian, o que significa que a ordem dos bytes de valores numéricos segue do menos significativo ao mais significativo. Por exemplo o seguinte valor numérico em hexadecimal 0x1a2b3c4d ficaria disposto na memória RAM na seguinte ordem:

Instruções

A arquitetura x86 é uma arquitetura CISC que, resumindo, é uma arquitetura com um conjunto complexo de instruções. Falando de maneira leviana isso significa que há várias instruções e cada uma delas tem um nível de complexidade completamente variada. Boa parte das instruções são complexas na arquitetura x86. Uma instrução "complexa" é uma instrução que faz várias operações.

Cada instrução do código de máquina tem um tamanho que pode variar de 1 até 15 bytes. E cada instrução consome um número de ciclos diferente (devido a sua complexidade variada).

Modelo

A arquitetura x86 segue o modelo da arquitetura de Von Neumann onde esse, mais uma vez resumindo, trabalha principalmente usando uma unidade central de processamento (CPU) e uma memória principal.

As instruções podem trabalhar manipulando/lendo dados em registradores que são pequenas áreas de memória internas à CPU. E também pode manipular dados na memória principal que no caso é a memória RAM. Bem como também usar o sistema de entrada e saída de dados, feito pelas portas físicas.

O registrador Program Counter no diagrama acima armazena o endereço da próxima instrução que será executada na memória principal. Na arquitetura x86 esse registrador é chamado de Instruction Pointer.

Portas físicas

Uma porta física é um barramento do processador usado para se comunicar com o restante do hardware. Por exemplo para poder usar a memória secundária, o HD, usamos uma porta física para enviar e receber dados do dispositivo. O gerenciamento desta comunicação é feito pelo chipset da placa-mãe.

Do ponto de vista do programador uma porta física é só um número especificado na instrução, muito parecido com uma porta lógica usada para comunicação em rede.

FPU

Na época do 8086 a Intel também lançou o chamado 8087, que é um co-processador de ponto flutuante que trabalhava em conjunto com o 8086. Os processadores seguintes também ganharam co-processadores que receberam o nome genérico de x87. A partir do 80486 a FPU é interna a CPU e não mais um co-processador, porém por motivos históricos ainda chamamos a unidade de ponto flutuante da arquitetura x86 de x87.

FPU nada mais é que a unidade de processamento responsável por fazer cálculos de ponto flutuante, os famosos números float.

Outras tecnologias

Quem dera um processador fosse tão simples assim, já mencionei que o manual da Intel tem mais de 5 mil páginas? Deixei de abordar muita coisa aqui mas que fique claro que os processadores da arquitetura x86 tem várias outras tecnologias, como o 3DNow! da AMD e o SSE da Intel.

No nasm se pode usar o ponto-vírgula ; para comentários que única linha, equivalente ao // em C. Comentários de múltiplas linhas podem ser feitos usando a diretiva pré-processada %comment para iniciar o comentário e %endcomment para finalizá-lo. Exemplo:

Números

Números literais podem ser escritos em base decimal, hexadecimal, octal e binário. Também é possível escrever constantes numéricas de ponto flutuante no nasm, conforme exemplos:

Strings

Strings podem ser escritas no nasm de três formas diferentes:

Os dois primeiros são equivalentes e não tem nenhuma diferença para o nasm. O último aceita caracteres de escape no mesmo estilo da linguagem C.

Formato das instruções

As instruções em Assembly seguem a premissa de especificar uma operação e seus operandos. Na arquitetura x86 uma instrução pode não ter operando algum e chegar até três operandos.

Algumas instruções alteram o valor de um ou mais operandos, que pode ser um endereçamento na memória ou um registrador. Nas instruções que alteram o valor de apenas um operando ele sempre será o operando mais à esquerda. Um exemplo prático é a instrução mov:

O mov especifica a operação enquanto o eax e o 777 são os operandos. Essa instrução altera o valor do operando destino eax para 777. Exemplo de pseudo-código:

Endereçamento

O endereçamento em Assembly x86 é basicamente um cálculo para acessar determinado valor na memória. O resultado deste cálculo é o endereço na memória que o processador irá acessar, seja para ler ou escrever dados no mesmo. Usá-se os colchetes [] para denotar um endereçamento. Ao usar colchetes como operando você está basicamente acessando um valor na memória. Por exemplo poderíamos alterar o valor no endereço 0x100 usando a instrução mov para o valor contido no registrador eax.

Como eu já mencionei o valor contido dentro dos colchetes é um cálculo. Vamos aprender mais à respeito quando eu for falar de endereçamento na memória.

Tamanho do operando

Quando um dos operandos é um endereçamento na memória você precisa especificar o seu tamanho. Ao fazer isso você define o número de bytes que serão lidos ou escritos na memória. A maioria das instruções exigem que o operando destino tenha o mesmo tamanho do operando que irá definir o seu valor, salvo algumas exceções. No nasm existem palavra-chaves (keywords) que você pode posicionar logo antes do operando para determinar o seu tamanho.

Exemplo:

Se você usar um dos operandos como um registrador o nasm irá automaticamente assumir o tamanho do operando como o mesmo tamanho do registrador. Esse é o único caso onde você não é obrigado a especificar o tamanho porém em algumas instruções o nasm não consegue inferir o tamanho do operando.

Pseudo-instruções

No nasm existem o que são chamadas de "pseudo-instruções", são instruções que não são de fato instruções da arquitetura x86 mas sim instruções que serão interpretadas pelo nasm. Elas são úteis para deixar o código em Assembly mais versátil mas deixando claro que elas não são instruções que serão executadas pelo processador. Exemplo básico é a pseudo-instrução db que serve para despejar bytes no correspondente local do arquivo binário de saída. Observe:

Dá para especificar o byte como um número ou então uma sequência de bytes em formato de string. Essa pseudo-instrução não tem limite de valores separados por vírgula. Veja a saída do exemplo acima no hexdump, um visualizador hexadecimal:

Rótulos

Os rótulos, ou em inglês labels, são definições de símbolos usados para identificar determinados endereços da memória no código fonte em Assembly. Podem ser usados de maneira bastante parecida com os rótulos em C. O nome do rótulo serve para pegar o endereço da memória do byte seguinte a posição do rótulo, que pode ser uma instrução ou um byte qualquer produzido por uma pseudo-instrução. Para escrever um rótulo basta digitar seu nome seguido de dois-pontos :

Você pode inserir instruções/pseudo-instruções imediatamente após o rótulo ou então em qualquer linha seguinte, não faz diferença no resultado final. Também é possível adicionar um rótulo no final do arquivo, o fazendo apontar para o byte seguinte ao conteúdo do arquivo na memória. Já vimos um exemplo prático de uso de rótulo na nossa PoC:

Repare o rótulo assembly na linha 4. Nesse caso o rótulo está sendo usado para denotar o símbolo que aponta para a primeira instrução da nossa função homônima.

Rótulos locais

Um rótulo local, em inglês local label, é basicamente um rótulo que hierarquicamente está abaixo de outro rótulo. Para definir um rótulo local podemos simplesmente adicionar um ponto . como primeiro caractere do nosso rótulo. Veja o exemplo:

Dessa forma o nome completo de .subrotulo é na verdade meu_rotulo.subrotulo. As instruções que estejam hierarquicamente dentro do rótulo "pai" podem acessar o rótulo local usando de sua nomenclatura com . no início do nome ao invés de citar o nome completo. Como no exemplo:

Diretivas

Parecido com as pseudo-instruções, o nasm também oferece as chamadas diretivas. A diferença é que as pseudo-instruções apresentam uma saída em bytes exatamente onde elas são utilizadas, já as diretivas são como comandos para modificar o comportamento do assembler.

Por exemplo a diretiva bits que serve para especificar se as instruções seguintes são de 64, 32 ou 16 bits. Podemos observar o uso desta diretiva na nossa PoC. Por padrão o nasm monta as instruções como se fossem de 16 bits.

No livro eu tento o máximo possível abordar conteúdo que, com base no que já foi explorado antes, possa ser testado para ver os resultados. Bem como também tento apresentar os resultados para não deixar à margem da imaginação.

Nosso cérebro tem o hábito de fabricar informações. Quando estudamos algo novo e nos falta informação sobre, costumamos nós mesmos criarmos essas informações faltantes. Lacunas de conteúdo são preenchidas com informações hipotéticas e, muitas vezes, de uma maneira quase irreversível. Quando começamos a aprender algo costumamos ter muito viés ao conteúdo que consumimos primeiro. Se este viés for baseado em uma informação fabricada pela nossa mente ela vai nos induzir ao erro.

2. Por quê?

Nada acontece por mágica, tudo tem um motivo e uma explicação. Infelizmente eu não sei todas as explicações do mundo e nem todos os motivos. Mas é muito importante se perguntar o porque das coisas constantemente. No decorrer do livro eu tento responder o máximo possível o porque das coisas.

Consumindo o conteúdo

Na hora de consumir o conteúdo deste livro lembre-se do que mencionei acima. Principalmente do nosso péssimo hábito de fabricar informações, isso é muito comum e todo mundo já fez isso (e provavelmente sempre continuará fazendo).

1. Aceite o que você não sabe

O que eu não explicar e você não souber tente evitar o hábito de fabricar informações se baseando em hipóteses infundadas, aceite que você não sabe e pesquise à respeito ou continue lendo o livro, talvez eu só tenha deixado a resposta para depois devido a achar que seria muita informação de uma só vez. O mais importante é fixar na mente que você não sabe.

Um treinamento bacana para diminuir esse péssimo hábito é simplesmente responder "não sei" para perguntas que você não sabe a resposta. Parece bobo, mas quantas vezes não lhe perguntaram algo que você não sabia e, ao invés de dizer "não sei", você inventou uma resposta na hora?

Isso é o hábito de fabricar informações controlando sua mente, é assim que ele funciona só que na maioria das vezes não é outra pessoa perguntando mas sim nós mesmos.

2. Não decore, aprenda

Lembre-se de sempre se perguntar o porque das coisas. Se você sabe o que fazer mas não sabe o porque, então você não aprendeu mas sim decorou. Decorar é o pior inimigo do aprendizado. Quando você entende o porque das coisas você não precisa ficar decorando, a informação vai naturalmente para a sua memória de longo prazo. Detalhe que com "decorar" eu quero dizer a tentativa repetitiva de memorizar uma informação sem entendê-la, claro que lembrar das coisas é necessário para o aprendizado. Quer testar se você decorou ou aprendeu? É só você tentar explicar o porque tal coisa é de tal forma. Se não conseguir é porque não aprendeu.

3. Só avance depois que aprender

Como eu já disse estou tentando ao máximo passar informação de forma que você possa testar. É importante que você faça testes para poder compreender melhor a informação. No fim de cada assunto explicado, e após fazer alguns testes, tente explicar o conteúdo para si mesmo ou para outra pessoa. Se você não conseguir fazer isso é porque ainda não entendeu muito bem. Evite avançar no conteúdo sem ter entendido o anterior.

Não tenha pressa

A pressa é a inimiga da perfeição. ~ Joãozinho

O mundo não vai acabar na semana que vem, eu acho. Não tem porque você ter pressa de aprender tudo em uma semana ou mês. Como eu já disse, só avance para o próximo tópico depois que aprender o anterior. Fique uma semana no mesmo tópico se for necessário.

Faça testes, estude a partir de outras fontes, pesquise no Google, tente fazer coisas para ver o que acontece, se pergunte o porquê. Tudo isso demora mas é necessário para ter uma compreensão profunda do que está estudando.

E lembre-se: Você não precisa ser capaz de escrever um "Hello World" em uma semana, ou estudar mais de um tópico por dia e nem terminar tudo em menos de 1 mês.

Isso aqui não é absoluto

Este não é "o guia absoluto do Assembly x86". Procure por mais conteúdo por fora, use o Google, leia livros, pergunte para outras pessoas. Lembre-se que alguma coisa aqui pode e vai estar errada. É importante ter fontes diversas de informações para traçar dados e tirar suas próprias conclusões.

Vou destacar isto: Tire suas próprias conclusões, pense por conta própria. Nunca absorva nenhum conteúdo como se fosse uma verdade absoluta. Questione, pesquise, verifique e teste. E se você achar que algo aqui está errado, fique à vontade para corrigir o autor ou simplesmente discordar dele em discussões por aí.

Discuta

Como eu já disse não existe fonte absoluta de informação. A única maneira de se ter mais segurança sobre uma determinada informação é discutindo sobre ela. Entre em alguns fóruns e grupos, questione o que as pessoas falam e dê a oportunidade para que elas questionem o que você fala também. Não aceite nada como verdade absoluta e nem dê nada como verdade absoluta.

Isso é muito importante porque assim você irá encontrar pontos de vista opostos ao seu, isso irá abranger seu conhecimento e lhe dar a oportunidade para reavaliar as informações, para que assim, tire mais uma vez suas próprias conclusões. Ter um só ponto de vista é horrível. Além de ter uma enorme chance de você estar errado a sua intolerância à discordância alheia vai estar lá no alto.

Ou seja, discutir não é apenas benéfico para você mas também para as pessoas a sua volta. Porque ninguém merece aquele tipo de pessoa que, no menor sinal de discordância, já estufa o peito e bate na mesa para mostrar quem é que manda.

Barramento interno

Os tais "bit" que são muito conhecidos mas pouco entendido, na verdade é simplesmente uma referência a largura do barramento interno do processador quando ele está em determinado modo de operação. A largura do barramento interno do processador nada mais é que o tamanho padrão de dados que ele pode processar de uma única vez.

Imagine uma enorme via com 16 faixas e no final dela um pedágio, isso significa que 16 carros serão atendidos por vez no pedágio. Se é necessário atender 32 carros então será necessário duas vezes para atender todos os carros, já que apenas 16 podem ser atendidos de uma única vez. A largura de um barramento nada mais é que uma "via de bits", quanto mais largo mais informação pode ser enviada de uma única vez. O que teoricamente aumenta a eficiência.

No caso do barramento interno do processador seria a "via de bits" que o processador usa em todo o seu sistema interno, desconsiderando a comunicação com o hardware externo que é feita pelo barramento externo e não necessariamente tem o mesmo tamanho do barramento interno.

Mais modos de operação

Pelo que nós vimos acima então na verdade um "sistema operacional de 64 bit" nada mais é que um sistema operacional que executa em submodo de 64-bit. Ah, mas aí fica a pergunta:

Se está rodando em 64 bit como é possível executar código de 32 bit?

Isso é possível porque existem mais modos de operação do que os que eu já mencionei. Reparou que eu disse "submodo" de 64-bit? É porque na verdade o 64-bit não é um modo principal mas sim um submodo. A hierarquia de modos de operação de um processador Intel64 ficaria da seguinte forma:

• Real mode (16 bit)

• Protected mode (32 bit)

• SMM (não vamos falar deste modo, mas ele existe)

• IA-32e

  • 64-bit (64 bit)

  • Compatibility mode (32 bit)

O modo IA-32e é uma adição dos processadores x86-64. Repare que ele tem outro submodo chamado "compatibility mode", ou em português, "modo de compatibilidade".

O modo de compatibilidade serve para obter compatibilidade com a arquitetura IA-32. Um sistema operacional pode setar para que código de apenas determinado segmento na memória rode nesse modo, permitindo assim que ele execute código de 32 e 64 bit paralelamente (supondo que o processador esteja em modo IA-32e). Por isso que seu Debian de 64 bit consegue rodar softwares de 32 bit, assim como o seu Windows 10 de 64 bit também consegue.

Virtual-8086

Lembra que o antigo Windows XP de 32 bit era capaz de rodar programas de 16 bit do MS-DOS? Isto era possível devido ao modo Virtual-8086 que, de maneira parecida com o compatibility mode, permite executar código de 16 bit enquanto o processador está em protected mode. Nos processadores atuais o Virtual-8086 não é um submodo de operação do protected mode mas sim um atributo que pode ser setado enquanto o processador está executando nesse modo.

A manipulação básica da pilha é empilhar (push) e desempilhar (pop) valores na mesma. Veja o exemplo na nossa PoC:

Na linha 6 empilhamos o valor de RAX na pilha, alteramos o valor na linha 8 mas logo em seguida desempilhamos o valor e jogamos de volta em RAX. O resultado disso é o valor 12345 sendo retornado pela função.

A instrução pop recebe como operando um registrador ou endereçamento de memória onde ele deve armazenar o valor desempilhado.

A instrução push recebe como operando o valor a ser empilhado. O tamanho de cada valor na pilha também acompanha o barramento interno (64 bits em 64-bit, 32 bits em protected mode e 16 bits em real mode). Pode-se passar como operando um valor na memória, registrador ou valor imediato.

A pilha "cresce" para baixo. O que significa que toda vez que um valor é inserido nela o valor de ESP é subtraído pelo tamanho em bytes do valor. E na mesma lógica um pop incrementa o valor de ESP. Logo as instruções seriam equivalentes aos dois pseudocódigos abaixo (considerando um código de 32-bit):

Endereçamento em IA-16

No código de máquina da arquitetura IA-16 existe um byte chamado ModR/M que serve para especificar algumas informações relacionadas ao acesso de (R)egistradores e/ou (M)emória. O endereçamento em IA-16 é totalmente especificado nesse byte e ele nos permite fazer um cálculo no seguinte formato: REG + REG + DESLOCAMENTO

Onde REG seria o nome de um registrador e DESLOCAMENTO um valor numérico também somado ao endereço. Os registradores BX, BP, SI e DI podem ser utilizados. Enquanto o deslocamento é um valor de 8 ou 16 bits.

Nesse cálculo um dos registradores é usado como base, o endereço inicial, e o outro é usado como índice, um valor numérico a ser somado à base assim como o deslocamento. Os registradores BX e BP são usados para base enquanto SI e DI são usados para índice. Perceba que não é possível somar base+base e nem índice+índice.

Alguns exemplos para facilitar o entendimento:

Endereçamento em IA-32

Em IA-32 o código de máquina tem também o byte SIB que é um novo modo de endereçamento. Enquanto em IA-16 nós temos apenas uma base e um índice, em IA-32 nós ganhamos também um fator de escala. O fator de escala é basicamente um número que irá multiplicar o valor de índice.

• O valor do fator de escala pode ser 1, 2, 4 ou 8.

• O registrador de índice pode ser qualquer um dos registradores de propósito geral exceto ESP.

• O registrador de base pode ser qualquer registrador geral.

• O deslocamento pode ser de 8 ou 32 bits.

Exemplos:

Endereçamento em x86-64

Em x86-64 segue a mesma premissa de IA-32 com alguns adendos:

• É possível usar registradores de 32 ou 64 bit.

• Os registradores de R8 a R15 ou R8D a R15D podem ser usados como base ou índice.

• Não é possível mesclar registradores de 32 e 64 bits em um mesmo endereçamento.

• O byte ModR/M tem um novo endereçamento RIP + deslocamento. Onde o deslocamento é necessariamente de 32 bits.

Exemplos:

Na sintaxe do NASM para usar um endereçamento relativo ao RIP deve-se usar a keyword rel para determinar que se trata de um endereço relativo. Também é possível usar a diretiva default rel para setar o endereçamento como relativo por padrão. Exemplo:

Truque do NASM

Cuidado para não se confundir em relação ao fator de escala. Veja por exemplo esta instrução 64-bit:

Apesar de 3 não ser um valor válido de escala o NASM irá montar o código sem apresentar erros. Isso acontece porque ele converteu a instrução para a seguinte:

Ele usa RBX tanto como base como também índice e usa o fator de escala 2. Resultando no mesmo valor que se multiplicasse RBX por 3. Esse é um truque do NASM que pode levar ao erro, por exemplo:

Dessa vez acusaria erro já que a base foi explicitada. Lembre-se que os fatores de escala válidos são 1, 2, 4 ou 8.

Instrução LEA

A instrução LEA, sigla para Load Effective Address, calcula o endereço efetivo do segundo operando e armazena o resultado do cálculo em um registrador. Essa instrução pode ser útil para testar o cálculo do effective address e ver os resultados usando nossa PoC, conforme exemplo abaixo:

Antes de vermos um desvio de fluxo condicional vamos entender como é o próprio desvio de fluxo em si. Na verdade existem muito mais registradores do que os que eu já citei. E um deles é o registrador IP, sigla para Instruction Pointer (ponteiro de instrução). Esse registrador também acompanha o tamanho do barramento interno, assim como os registradores gerais:

Assim como o nome sugere o Instruction Pointer serve como um ponteiro para a próxima instrução a ser executada pelo processador. Desse jeito é possível mudar o fluxo do código simplesmente alterando o valor de IP, porém não é possível fazer isso diretamente com uma instrução como a mov.

Na arquitetura x86 existem as instruções de jump, salto em inglês, que alteram o valor de IP permitindo assim que o fluxo seja alterado. A instrução de jump não condicional, intuitivamente, se chama JMP. Esse desvio de fluxo é algo muito semelhante com a instrução goto da linguagem C, inclusive em boa parte das vezes o compilador converte o goto para meramente um JMP.

O uso da instrução JMP é feito da seguinte forma:

Onde o operando você pode passar um rótulo que o assembler irá converter para o endereço corretamente. Veja o exemplo na nossa PoC:

A instrução na linha 8 nunca será executada devido ao JMP na linha 6.

Registrador FLAGS

O registrador FLAGS também é estendido junto ao tamanho do barramento interno. Então temos:

Esse registrador, diferente dos registradores gerais, não pode ser acessado diretamente por uma instrução. O valor de cada bit do registrador é testado por determinadas instruções e são ligados e desligados por outras instruções. É testando o valor dos bits do registrador FLAGS que as instruções condicionais funcionam.

Salto condicional

Os jumps condicionais, normalmente referidos como Jcc, são instruções que condicionalmente fazem o desvio de fluxo do código. Elas verificam os valores dos bits do registrador FLAGS e, com base nos valores, será decidido se o salto será tomado ou não. Assim como no caso do JMP as instruções Jcc também recebem como operando o endereço para onde devem tomar o salto caso a condição seja atendida. Se ela não for atendida então o fluxo de código continuará normalmente.

Eis a lista dos saltos condicionais mais comuns:

A maneira mais comum usada para setar as flags para um salto condicional é a instrução CMP. Ela recebe dois operandos e compara o valor dos dois, com base no resultado da comparação ela seta as flags corretamente. Agora um exemplo na nossa PoC:

Na linha 10 temos um Jump if Less or Equal para o rótulo local .end, e logo na linha anterior uma comparação entre RBX e RCX. Se o valor de RBX for menor ou igual a RCX, então o salto será tomado e a instrução na linha 12 não será executada. Desta forma temos algo muito parecido com o if no pseudocódigo abaixo:

Repare que a condição para o código ser executado é exatamente o oposto da condição para o salto ser tomado. Afinal de contas a lógica é que caso o salto seja tomado o código não será executado.

A esta altura você já deve ter reparado que nossa função assembly na nossa PoC nada mais é que um procedimento chamado por uma instrução CALL, por isso no final dela temos uma instrução RET.

Na prática o que uma instrução CALL faz é empilhar o endereço da instrução seguinte na stack e, logo em seguida, faz o desvio de fluxo para o endereço especificado assim como um JMP. E a instrução RET basicamente desempilha esse endereço e faz o desvio de fluxo para o mesmo. Um exemplo na nossa PoC:

Na linha 6 damos um call no procedimento setarA na linha 10, este por sua vez altera o valor de EAX antes de retornar. Após o retorno do procedimento a instrução RET na linha 8 é executada, e então retornando também do procedimento assembly.

O que são convenções de chamadas?

É seguindo essa lógica que "milagrosamente" o nosso código em C sabe que o valor em EAX é o valor de retorno da nossa função assembly. Linguagens de alto nível, como C por exemplo, usam um conjunto de regras para definir como uma função deve ser chamada e como ela retorna um valor. Essas regras são a convenção de chamada, em inglês, calling convention.

Na nossa PoC a função assembly retorna uma variável do tipo int que na arquitetura x86 tem o tamanho de 4 bytes e é retornado no registrador EAX. A maioria dos valores serão retornados em alguma parte mapeada de RAX que coincida com o mesmo tamanho do tipo. Exemplos:

Por enquanto não vamos ver a convenção de chamada que a linguagem C usa, só estou adiantando isso para que possamos entender melhor como nossa função assembly funciona.

Seções

Uma seção no arquivo objeto nada mais é que uma maneira de agrupar dados no arquivo. É como criar um grupo novo e dar um sentido para ele. Três exemplos principais de seções são:

• A seção de código, onde o código que é executado pelo processador fica.

• Seção de dados, onde variáveis são alocadas.

• Seção de dados não inicializada, onde a memória será alocada dinamicamente ao carregar o executável na memória. Geralmente usada para variáveis não inicializadas, isto é, variáveis que não têm um valor inicial definido.

Na prática se pode definir quantas seções quiser (dentro do limite suportado pelo formato de arquivo) e para quais propósitos quiser também. Podemos até mesmo ter mais de uma seção de código, mais de uma seção de dados etc. O código em C é organizado pelo compilador, no nosso caso o GCC, e por isso nós não fizemos esse tipo de organização manualmente.

Existem quatro seções principais que podemos usar no nosso código e o linker irá resolvê-las corretamente sem que nós precisamos dizer a ele como fazer seu trabalho. O NASM também reconhece essas seções como "padrão" e já configura os atributos delas corretamente.

• .text -- Usada para armazenar o código executável do nosso programa.

• .data -- Usada para armazenar dados inicializados do programa, por exemplo uma variável global.

• .bss -- Usada para reservar espaço para dados não-inicializados, por exemplo uma variável global que foi declarada mas não teve um valor inicial definido.

• .rodata ou .rdata -- Usada para armazenar dados que sejam somente leitura (readonly), por exemplo uma constante que não deve ter seu valor alterado em tempo de execução.

Seções tem flags que definem atributos para a seção, as três flags principais e que nos importa saber é:

• read -- Dá permissão de leitura para a seção.

• write -- Dá permissão de escrita para a seção, assim o código executado pode escrever dados nela.

• exec -- Dá permissão de executar os dados contidos na seção como código.

Na sintaxe do NASM é possível definir essas flags manualmente em uma seção modificando seus atributos. Veja o exemplo abaixo:

Nos dois primeiros exemplos nada de fato foi alterado nas seções porque esses já são seus respectivos atributos padrão. Já a seção .outra não tem nenhuma permissão padrão definida por não ser nenhum dos nomes padronizados.

Símbolos

Uma das informações salvas no arquivo objeto é a tabela de símbolos que é, como o nome sugere, uma tabela que define nomes e endereços para determinados símbolos usados no arquivo objeto. Um símbolo nada mais é que um nome para se referir a determinado endereço.

Parece familiar? Pois é, símbolos e rótulos são essencialmente a mesma coisa. A única diferença prática é que o rótulo apenas existe como conceito no arquivo fonte e o símbolo existe como um valor no arquivo objeto.

Quando definimos um rótulo em Assembly podemos "exportá-lo" como um símbolo para que outros arquivos objetos possam acessar aquele determinado endereço. Já vimos isso ser feito na nossa PoC, a diretiva global do NASM serve justamente para definir que aquele rótulo é global... Ou seja, que deve ser possível acessá-lo a partir de outros arquivos objetos.

Linker

O linker é o software encarregado de processar os arquivos objetos para que eles possam "conversar" entre si. Por exemplo, um símbolo definido no arquivo objeto assembly.o para que possa ser acessado no arquivo main.o o linker precisa intermediar, porque os arquivos não vão trocar informação por mágica.

Na nossa PoC o arquivo objeto main.o avisa para o linker que ele está acessando um símbolo externo (que está em outro arquivo objeto) chamado assembly. O linker então se encarrega de procurar por esse símbolo, e ele acaba o achando no assembly.o. Ao achar o linker calcula o endereço para aquele símbolo e seja lá aonde ele foi utilizado em main.o o linker irá colocar o endereço correto.

Todas essas informações (os locais onde foi utilizado, o endereço do símbolo, os símbolos externos acessados, os símbolos exportados etc.) ficam na tabela de símbolos. Com a maravilhosa ferramenta objdump do GCC podemos ver a tal da tabela de símbolos nos nossos arquivos objetos. Basta rodar o comando:

Se usarmos essa ferramenta nos nossos arquivos objetos podemos ver que, dentre vários símbolos lá encontrados, um deles é o assembly.

Executável

Depois do linker fazer o trabalho dele, ele gera o arquivo final que nós normalmente chamamos de executável. O executável de um sistema operacional nada mais é que um arquivo objeto que pode ser executado.

A diferença desse arquivo objeto final para o arquivo objeto anterior, é que esse está organizado de acordo com as "exigências" do sistema operacional e pronto para ser rodado. Enquanto o outro só tem informação referente àquele arquivo fonte, sem dar as informações necessárias para o sistema operacional poder rodá-lo como código. Até porque esse código ainda não está pronto para ser executado, ainda há símbolos e outras dependências para serem resolvidas pelo linker.

Lá nos primórdios da arquitetura x86 os registradores tinham o tamanho de 16 bits (2 bytes). Os processadores IA-32 aumentaram o tamanho desses registradores para acompanhar a largura do barramento interno de 32 bits (4 bytes). A referência para o registrador completo ganhou um prefixo 'E' que seria a primeira letra de "Extended" (estendido). Processadores x86-64 aumentaram mais uma vez o tamanho desses registradores para 64 bits (8 bytes), dessa vez dando um prefixo 'R' que seria de "Re-extended" (re-estendido). Só que também trazendo alguns novos registradores de propósito geral.

Registradores de propósito geral (IA-16)

Os registradores de propósito geral (GPR na sigla em inglês) são registradores que são, como o nome sugere, de uso geral pelas instruções. Na arquitetura IA-16 nós temos os registradores de 16 bits que são mapeados em subdivisões como explicado acima.

Determinadas instruções da arquitetura usam alguns desses registradores para tarefas específicas mas eles não são limitados somente para esse uso. Você pode usá-los da maneira que quiser porém recomendo seguir o padrão para melhorar a legibilidade do código. O "apelido" na tabela abaixo é o nome dado aos registradores em inglês, serve para fins de memorização.

Os registradores AX, BX, CX e DX são subdivididos em 2 registradores cada um. Um dos registradores é mapeado no seu byte mais significativo (Higher byte) e o outro no byte menos significativo (Lower byte). Reparou que os registradores são uma de letra seguido do X? Para simplificar podemos dizer que os registradores são A, B, C e D e o sufixo X serve para mapear todo o registrador, enquanto o sufixo H mapeia o Higher byte e o sufixo L mapeia o Lower byte.

Ou seja se alteramos o valor de AL na verdade estamos alterando o byte menos significativo de AX. E se alteramos AH então é o byte mais significativo de AX. Como no exemplo abaixo:

Esse mesmo mapeamento ocorre também nos registradores BX, CX e DX. Como podemos ver na tabela abaixo:

Registradores de propósito geral (IA-32)

Como já explicado no IA-32 os registradores são estendidos para 32 bits de tamanho e ganham o prefixo 'E', ficando assim a lista: EAX, EBX, ECX, EDX, ESP, EBP, ESI, EDI

Todos os outros registradores de propósito geral existentes em IA-16 não deixam de existir em IA-32. Eles são mapeados nos 2 bytes menos significativos dos registradores estendidos. Por exemplo o registrador EAX fica mapeado da seguinte forma:

Já vimos o registrador "EAX" sendo manipulado na nossa PoC. Como o prefixo 'E' indica ele é de 32 bits (4 bytes) de tamanho. Poderíamos simular esse registrador com uma union em C da seguinte forma:

O que deveria gerar a seguinte saída:

Podemos testar o mapeamento de EAX com nossa PoC:

Na linha 8 alteramos o valor de EAX para 0x11223344 e logo em seguida, na linha 9, alteramos AX para 0xaabb. Isso deveria resultar em EAX = 0x1122aabb.

Teste o código e tente alterar AH e/ou AL ao invés de AX diretamente.

Registradores de propósito geral (x86-64)

Os registradores de propósito geral em x86-64 são estendidos para 64 bits e ganham o prefixo 'R', ficando a lista: RAX, RBX, RCX, RDX, RSP, RBP, RSI, RDI

Todos os registradores de propósito geral em IA-32 são mapeados nos 4 bytes menos significativos dos registradores re-estendidos seguindo o mesmo padrão de mapeamento anterior.

E há também um novo padrão de mapeamento do x86-64 com novos registradores de propósito geral. Os novos nomes dos registradores são uma letra 'R' seguido de um número de 8 a 15.

O mapeamento dos novos registradores são um pouco diferentes. Podemos usar o sufixo 'B' para acessar o byte menos significativo, o sufixo 'W' para acessar a word (2 bytes) menos significativa e 'D' para acessar a doubleword (4 bytes) menos significativa. Usando R8 como exemplo podemos montar a tabela abaixo:

Em x86-64 também é possível acessar o byte menos significativo dos registradores RSP, RBP, RSI e RDI. O que não é possível em IA-32 ou IA-16. Eles são mapeados em SPL, BPL, SIL e DIL.

Escrita nos registradores em x86-64

A escrita de dados nos 4 bytes menos significativos de um registrador de propósito geral em x86-64 funciona de maneira um pouco diferente do que nós estamos acostumados. Observe o exemplo:

A instrução na linha 2 mudaria o valor de RAX para 0x0000000000001234. Isso acontece porque o valor é zero-extended, ou seja, ele é estendido de forma que os 4 bytes mais significativos de RAX são zerados.

O mesmo vale para todos os registradores de propósito geral, incluindo os registradores R8..R15 caso você escreva algum valor em R8D..R15D.

Basicamente são três tipos de operandos: Um registrador, valor na memória e um valor imediato. Um exemplo de cada um para ilustrar sendo mostrado como o segundo operando de MOV:

São três operandos diferentes e cada um deles é opcional, isto é, pode ou não ser utilizado pela instrução (opcional para a instrução e não para nós).

Repare que somente um dos operandos pode ser um valor na memória ou registrador, enquanto o outro é especificamente um registrador. É devido a isso que há a limitação de haver apenas um operando na memória, enquanto que o uso de dois operandos registradores é permitido.

Notação

As seguintes nomenclaturas serão utilizadas:

Em alguns casos eu posso colocar um número junto a essa nomenclatura para especificar o tamanho do operando em bits. Por exemplo r/m16 indica um operando registrador/memória de 16 bits.

Em cada instrução irei apresentar a notação demonstrando cada combinação diferente de operandos que é possível utilizar. Lembrando que o operando destino é o mais à esquerda, enquanto que o operando fonte é o operando mais à direita.

MOV | Move

Copia o valor do operando fonte para o operando destino.

ADD

Soma o valor do operando destino com o valor do operando fonte, armazenando o resultado no próprio operando destino.

SUB | Subtract

Subtrai o valor do operando destino com o valor do operando fonte.

INC | Increment

Incrementa o valor do operando destino em 1.

DEC | Decrement

Decrementa o valor do operando destino em 1.

MUL | Multiplicate

Multiplica uma parte do mapeamento de RAX pelo operando fonte passado. Com base no tamanho do operando uma parte diferente de RAX será multiplicada e o resultado armazenado em um registrador diferente.

No caso por exemplo de DX:AX, os registradores de 16 bits são usados em conjunto para representar um valor de 32 bits. Onde DX armazena os 2 bytes mais significativos do valor e AX os 2 bytes menos significativos.

DIV | Divide

Seguindo uma premissa inversa de MUL, essa instrução faz a divisão de um valor pelo operando fonte passado e armazena o quociente e a sobra dessa divisão.

LEA | Load Effective Address

Calcula o endereço efetivo do operando fonte e armazena o resultado do cálculo no registrador destino. Ou seja, ao invés de ler o valor no endereço do operando na memória o próprio endereço resultante do cálculo de endereço será armazenado no registrador. Exemplo:

AND

Faz uma operação E bit a bit nos operandos e armazena o resultado no operando destino.

OR

Faz uma operação OU bit a bit nos operandos e armazena o resultado no operando destino.

XOR | Exclusive OR

Faz uma operação OU Exclusivo bit a bit nos operandos e armazena o resultado no operando destino.

XCHG | Exchange

O operando 2 recebe o valor do operando 1 e o operando 1 recebe o valor anterior do operando 2. Fazendo assim uma troca nos valores dos dois operandos. Repare que diferente das instruções anteriores essa modifica também o valor do segundo operando.

XADD | Exchange and Add

O operando 2 recebe o valor do operando 1 e, em seguida, o operando 1 é somado com o valor anterior do operando 2. Basicamente preserva o valor anterior do operando 1 no operando 2 ao mesmo tempo que faz um ADD nele.

Essa instrução é equivalente a seguinte sequência de instruções:

SHL | Shift Left

Faz o deslocamento de bits do operando destino para a esquerda com base no número especificado no operando fonte. Se o operando fonte não é especificado então faz o shift left apenas 1 vez.

SHR | Shift Right

Mesmo caso que SHL porém faz o deslocamento de bits para a direita.

CMP | Compare

Compara o valor dos dois operandos e define RFLAGS de acordo.

SETcc | Set byte if condition

Define o valor do operando de 8 bits para 1 ou 0 dependendo se a condição for atendida (1) ou não (0). Assim como no caso dos jumps condicionais, o 'cc' aqui denota uma sigla para uma condição. Cuja a condição pode ser uma das mesmas utilizadas nos jumps. Exemplo:

CMOVcc | Conditional Move

Basicamente uma instrução MOV condicional. Só irá definir o valor do operando destino caso a condição seja atendida.

NEG | Negate

Inverte o sinal do valor numérico do operando.

NOT

Faz uma operação NÃO bit a bit no operando.

MOVSB/MOVSW/MOVSD/MOVSQ | Move String

Copia um valor do tamanho de um byte, word, double word ou quad word a partir do endereço apontado por RSI (Source Index) para o endereço apontado por RDI (Destiny Index). Depois disso incrementa o valor dos dois registradores com o tamanho em bytes do dado que foi movido.

CMPSB/CMPSW/CMPSD/CMPSQ | Compare String

Compara os valores na memória apontados por RDI e RSI, depois incrementa os registradores com o tamanho em bytes do dado.

LODSB/LODSW/LODSD/LODSQ | Load String

Copia o valor na memória apontado por RSI para uma parte do mapeamento de RAX equivalente ao tamanho do dado, e depois incrementa RSI com o tamanho do valor.

SCASB/SCASW/SCASD/SCASQ | Scan String

Compara o valor em uma parte mapeada de RAX com o valor na memória apontado por RDI e depois incrementa RDI de acordo.

STOSB/STOSW/STOSD/STODQ | Store String

Copia o valor de uma parte mapeada de RAX e armazena na memória apontada por RDI, depois incrementa RDI de acordo.

LOOP/LOOPE/LOOPNE

Essas instruções são utilizadas para gerar procedimentos de laço (loop) usando o registrador RCX como contador. Elas primeiro decrementam o valor de RCX e comparam o mesmo com o valor zero. Se RCX for diferente de zero a instrução faz um salto para o endereço passado como operando, senão o fluxo de código continua normalmente.

No caso de loope e loopne os sufixos indicam a condição de igual e não igual respectivamente. Ou seja, além da comparação do valor de RCX elas também verificam o valor de RFLAGS como uma condição extra.

NOP | No Operation

Não faz nenhuma operação... Sério, não faz nada. Essa instrução normalmente é utilizada apenas como um "preenchimento" por compiladores afim de alinhar o endereço de código por motivos de otimização.

A convenção para efetuar uma chamada de sistema em Linux x86-64 é bem simples, basta definir RAX para o número da syscall que você quer executar e outros 6 registradores são usados para passar argumentos. Veja a tabela:

O retorno da syscall também fica em RAX assim como na convenção de chamada da linguagem C.

exit

Vou ensinar aqui a usar a syscall mais simples que é a exit, ela basicamente finaliza a execução do programa. Ela recebe um só argumento que é o status de saída do programa. Esse número nada mais é do que um valor definido para o sistema operacional que indica as condições da finalização do programa.

Por convenção geralmente o número zero indica que o programa finalizou sem problemas, e qualquer valor diferente deste indica que houve algum erro. Um exemplo na nossa PoC:

A instrução ret na linha 10 nunca será executada porque a syscall disparada pela instrução syscall na linha 9 não retorna. No momento em que for chamada o programa será finalizado com o valor de RDI como status de saída.

No Linux se quiser ver o status de saída de um programa a variável especial $? expande para o status de saída do último programa executado. Então você pode executar nossa PoC da seguinte forma:

O echo teoricamente iria imprimir 0 que é o status de saída que nós definimos. Experimente mudar o valor de RDI e ver se reflete na mudança do valor de $? corretamente.

Outras syscalls

Se quiser ver uma lista completa de syscalls x86-64 do Linux pode ver no link abaixo:

• Linux System Call Table for x86 64

Você também pode consultar o conteúdo do arquivo cabeçalho /usr/include/x86_64-linux-gnu/asm/unistd_64.h para ver uma lista completa da definição dos números de syscall.

Além disso também sugiro consultar a man page do wrapper em C da syscall afim de entender mais detalhadamente o que cada uma delas faz. Por exemplo:

E para simplificar a consulta de syscalls no meu Linux eu implementei e uso a seguinte função em Bash. Fique à vontade para usá-la:

Exemplo de uso:

A arquitetura é a x86, como já sabemos. E um código que irá trabalhar com a linguagem C é compilado para um arquivo objeto. Por isso estudamos os conceitos básicos da arquitetura x86 propriamente dita, e também estudamos um pouco do arquivo objeto.

Sem saber o que são seções, o que á symbol table etc. não dá para entender o que se está fazendo. Por que o código em C consegue acessar um rótulo no meu código em Assembly? Por que dados despejados em .data são chamados de variáveis e os em .text são chamados de código? Por que dados em .rodata não podem ser modificados e são chamados de constantes? Por que "isso" é considerado uma função e "isso" uma variável? Os dois não são símbolos?

Ao programar em Assembly nós não estamos apenas escrevendo as instruções que o processador irá executar, estamos também construindo todo o arquivo binário final manualmente.Felizmente o NASM facilita nossa vida ao formatar o arquivo binário para o formato desejado, é a tal da opção -f elf64 ou -f win64 que passamos na linha de comando. Mas mesmo assim temos que dar informações para o NASM sobre o que fica aonde.

Por que estamos fazendo isso?

Em uma linguagem de alto nível todos esse conceitos relacionados ao formato do arquivo binário e da arquitetura do processador são abstraídos. Já em uma linguagem de baixo nível, esses conceitos tem muito pouca (ou nenhuma) abstração e precisamos lidar com eles manualmente.

Isso é necessário porque estamos escrevendo diretamente as instruções que o hardware, o processador, irá executar. E para poder se comunicar com o processador precisamos entender o que ele está fazendo.

Imagine tentar instruir um funcionário de uma empresa de entregas exatamente como ele deve organizar a carga e como ele deve entregá-la, porém você não sabe o que é a carga e nem para quem ela deve ser entregue. Impossível, né?

Isso é útil por quê?

Estudar Assembly não é só decorar instruções e o que elas fazem, isso é fácil até demais. Estudar Assembly é estudar a arquitetura, o formato do executável, como o executável funciona, convenções de chamadas, características do sistema operacional, características do hardware etc... Ah, e estudar as instruções também. Junte tudo isso e você terá um belo conhecimento para entender como um software funciona na prática.

Já citei antes porque estudar Assembly é útil na introdução do livro. Mas só decorar as instruções não é útil por si só, a questão é todo o resto que você irá aprender ao estudar Assembly.

O que é um código fonte em Assembly?

Como já vimos o assembler é bem mais complexo do que simplesmente converter as instruções que você escreve em código de máquina. Ele tem diretivas, pseudo-instruções e pré-processamento de código para formatar o código em Assembly e lhe dar mais poder na programação.

Ele também formata o código de saída para um formato especificado e nos permite escolher o modo de compilação das instruções de 64, 32 ou 16 bits.

Ou seja, um código fonte em Assembly não é apenas instruções mas também diretivas para a formatação do arquivo binário que será feita pelo assembler. Que é muito diferente de uma linguagem de alto nível como C que contém apenas instruções e todo o resto fica abstraído como se nem existisse.

No Windows basta instalar o Mingw-w64 como já mencionei.

Para testar se está funcionando adequadamente você pode passar para o GCC a opção -m32 para compilar para 32-bit. Tente compilar um "Hello World" em C e veja se funciona:

Neste capítulo usaremos também uma ferramenta que vem junto com o NASM, o ndisasm. Ele é um disassembler, um software que converte código de máquina em código Assembly. Se você tem o NASM instalado também tem o ndisasm disponível.

O uso básico é só especificar se as instruções devem ser desmontadas como instruções de 16, 32 ou 64 bits. Por padrão ele desmonta as instruções como de 16-bit. Para mudar isso basta usar a opção -b e especificar os bits. Exemplo:

O barramento de endereço (address bus) é um socket do processador que serve para se comunicar com a memória principal (memória RAM), ele indica o endereço físico na memória principal de onde o processador quer ler ou escrever dados. Basicamente a largura desse barramento indica quanta memória o processador consegue endereçar já que ele indica o endereço físico da memória que se deseja acessar.

Em IA-16 o barramento tem o tamanho padrão de 20 bits. Calculando $2^{20}$ temos o número de bytes endereçáveis que são exatamente 1 MiB de memória que pode ser endereçada. É da largura do barramento de endereço que surge a limitação de tamanho da memória RAM.

Em IA-32 e x86-64 o barramento de endereço tem a largura de 32 e 48 bits respectivamente.

Segmentação em IA-16

Em IA-16 a segmentação é bem simplista e o código trabalha basicamente com 4 segmentos simultaneamente. Esses segmentos são definidos simplesmente alterando o registrador de segmento equivalente, cujo eles são:

Cada um desses registradores tem 16 bits de tamanho.

Quando acessamos um endereço na memória estamos usando um endereço lógico que é a junção de um segmento (segment) e um deslocamento (offset), seguindo o formato: segment:offset

Veja por exemplo a instrução:

O endereçamento definido pelos colchetes é na verdade o offset que, juntamente com o registrador DS, se obtém o endereço físico. Ou seja o endereço lógico é DS:0x100.

Podemos especificar um segmento diferente com a seguinte sintaxe do NASM:

A conversão de endereço lógico para endereço físico é feita pelo processador com um cálculo simples:

O operador << denota um deslocamento de bits para a esquerda, uma operação shift left.

Segmentação em IA-32

Além dos registradores de segmento do IA-16, em IA-32 se ganha mais dois registradores de segmento: FS e GS.

Diferente dos registradores de propósito geral, os registradores de segmento não são expandidos. Permanecem com o tamanho de 16 bits.

Em protected mode os registradores de segmento não são usados para gerar um endereço lógico junto com o offset, ao invés disso, serve de seletor identificando o segmento por um índice em uma tabela que lista os segmentos.

Segmentação em x86-64

Em x86-64 não é mais usado esse esquema de segmentação de memória. CS, DS, ES e SS são tratados como se o endereço base fosse zero independentemente do valor nesses registradores.

Já os registradores FS e GS são exceções e ainda podem ser usados pelo sistema operacional para endereçamento de estruturas especiais na memória. Como por exemplo no Linux, em x86-64, FS é usado para apontar para a Thread Local Storage.

Por padrão o NASM joga todo o conteúdo do arquivo fonte na seção .text e por isso nós não a definimos na nossa PoC. Mas poderíamos reescrever nossa PoC desta vez especificando a seção:

A partir da diretiva na linha 3 todo o código é organizado no arquivo objeto dentro da seção .text, que é destinada ao código executável do programa e por padrão tem o atributo de execução (exec) habilitado pelo NASM.

Símbolos

Como já vimos na nossa PoC os símbolos internos podem ser exportados para serem acessados a partir de outros arquivos objetos usando a diretiva global. Podemos exportar mais de um símbolo de uma vez separando cada nome de rótulo por vírgula, exemplo:

Dessa forma um endereço especificado por um rótulo no nosso código fonte em Assembly pode ser acessado por código fonte compilado em outro arquivo objeto, tudo graças ao linker.

Mas as vezes também teremos a necessidade de acessar um símbolo externo, isto é, pertencente a outro arquivo objeto. Para podermos fazer isso existe a diretiva extern que serve para declarar no arquivo objeto que estamos acessando um símbolo que está em outro arquivo objeto.

Já vimos que no arquivo objeto main.o havia na symbol table a declaração do uso do símbolo assembly que estava em um arquivo externo. A diretiva extern serve para inserir essa informação na tabela de símbolos do arquivo objeto de saída. A diretiva extern segue a mesma sintaxe de global:

Veja um exemplo de uso com nossa PoC:

Declaramos na linha 11 do arquivo main.c a função number e no arquivo assembly.asm usamos a diretiva extern na linha 2 para declarar o acesso ao símbolo number, que chamamos na linha 8.

Variáveis?

Em Assembly não existe a declaração de uma variável porém assim como funções existem como conceito e podem ser implementadas em Assembly, variáveis também são dessa forma.

Em um código em C variáveis globais ficam na seção .data ou .bss. A seção .data do executável nada mais é que uma cópia dos dados contidos na seção .data do arquivo binário. Ou seja o que despejarmos de dados em .data será copiado para a memória RAM e será acessível em tempo de execução e com permissão de escrita.

Para despejar dados no arquivo binário existe a pseudo-instrução db e semelhantes. Cada uma despejando um tamanho diferente de dados mas todas tendo a mesma sintaxe de separar cada valor numérico por vírgula. Veja a tabela:

Podemos por exemplo guardar uma variável global na seção .data e acessar ela a partir do código fonte em C, bem como também no próprio código em Assembly. Exemplo:

Variáveis não-inicializadas

A seção .bss é usada para armazenar variáveis não-inicializadas, isto é, que não tem um valor inicial definido. Basicamente essa seção no arquivo objeto tem um tamanho definido para ser alocada pelo sistema operacional em memória mas não um conteúdo explícito copiado do arquivo binário.

Existem pseudo-instruções do NASM que permitem alocar espaço na seção sem de fato despejar nada ali. É a resb e suas semelhantes que seguem a mesma premissa de db. Os tamanhos disponíveis de dados são os mesmos de db por isso não vou repetir a tabela aqui. Só ressaltando que a última letra da pseudo-instrução indica o tamanho do dado. A sintaxe da pseudo-instrução é:

Onde como operando ela recebe o número de dados que serão alocados, onde o tamanho de cada dado depende de qual variante da instrução foi utilizada. Por exemplo:

A ideia de usar essa pseudo-instrução é poder declarar um rótulo/símbolo que irá apontar para o endereço dos dados alocados em memória. Veja mais um exemplo na nossa PoC:

Constantes

Uma constante nada mais é que um apelido para representar um valor no código afim de facilitar a modificação daquele valor posteriormente ou então evitar um magic number. Podemos declarar uma constante usando a pseudo-instrução equ:

Por convenção é interessante usar nomes de constantes totalmente em letras maiúsculas para facilitar a sua identificação no código fonte em contraste com o nome de um rótulo. Seja lá aonde a constante for usada no código fonte ela irá expandir para o seu valor definido. Exemplo:

A instrução na linha 2 alteraria o valor de EAX para 34.

Constantes em memória

Constantes em memória nada mais são do que valores despejados na seção .rodata. Essa seção é muito parecida com .data com a diferença de não ter permissão de escrita. Exemplo:

Expressões

O NASM aceita que você escreva expressões matemáticas seguindo a mesma sintaxe de expressão da linguagem C e seus operadores. Essas expressões serão calculadas pelo próprio NASM e não em tempo de execução. Por isso é necessário usar na expressão somente rótulos, constantes ou qualquer outro valor que exista em tempo de compilação e não em tempo de execução.

Podemos usar expressão matemática em qualquer pseudo-instrução ou instrução que aceita um valor numérico como operando. Exemplos:

O NASM também permite o uso de dois símbolos especiais nas expressões que expandem para endereços relacionados a posição da instrução atual:

Onde o uso do $ serve como um atalho para se referir ao endereço da linha de código atual, algo equivalente a declarar um rótulo como abaixo:

Usando o cifrão fica:

Enquanto o uso de $$ seria equivalente a declarar um rótulo no início da seção, como em:

E esse seria o equivalente com $$:

No caso de você usar o NASM para um formato de arquivo binário puro (raw binary), onde não existem seções, o $$ é equivalente ao endereço do início do binário.

PIE em x86-64

Já vimos no tópico Endereçamento que em x86-64 se tem um novo endereçamento relativo à RIP. É muito mais simples escrever código independente de posição no modo de 64-bit devido a isso.

Podemos usar a palavra-chave rel no endereçamento para dizer para o NASM que queremos que ele acesse um endereço relativo à RIP. Conforme exemplo:

Também podemos usar a diretiva default rel para que o NASM compile todos os endereçamentos como relativos por padrão. Caso você defina o padrão como endereço relativo a palavra-chave abs pode ser usada da mesma maneira que a palavra-chave rel porém para definir o endereçamento como absoluto.

Um exemplo de PIE em modo de 64-bit:

Experimente compilar sem a flag -no-pie para o GCC na hora de linkar:

Deveria funcionar normalmente. Mas experimente comentar a diretiva default rel na linha 2 e compilar novamente, você vai obter um erro parecido com esse:

Repare que o erro foi emitido pelo linker (ld) e não pelo compilador em si. Acontece que como usamos um endereço absoluto o NASM colocou o endereço do símbolo msg na relocation table para ser resolvido pelo linker, onde o linker é quem definiria o endereço absoluto do mesmo.

Só que como removemos o -no-pie o linker tentou produzir um PIE e por isso emitiu um erro avisando que aquela referência para um endereço absoluto não pode ser usada.

PIE em IA-32

Como o endereço relativo ao Instruction Pointer só existe em modo de 64-bit, nos outros modos de processamento não é nativamente possível obter um endereçamento relativo. O compilador GCC resolve esse problema criando um pequeno procedimento cujo o único intuito é obter o valor no topo da pilha e armazenar em um registrador. Conforme ilustração abaixo:

Ao chamar o procedimento __x86.get_pc_thunk.bx o endereço da instrução seguinte na memória é empilhado pela instrução CALL, portanto mov ebx, [esp] salva o endereço que EIP terá quando o procedimento retornar em EBX.

Quando a instrução add ebx, 12345 é executada o valor de EBX coincide com o endereço da própria instrução ADD.

Operand-size

Em protected mode nós podemos acessar operandos de 32, 16 ou 8 bits. O que define o tamanho do operando na instrução é o atributo operand-size.

Instruções que lidam com operandos de 8 bits tem opcodes próprios só para eles. Mas as instruções que lidam com operandos de 16 e 32 são as mesmas instruções, mudando somente o atributo operand-size.

Vamos fazer um experimento com o código abaixo:

Compile esse código sem especificar qualquer formatação para o NASM, assim ele irá apenas colocar na saída as instruções que escrevemos:

Depois disso use o ndisasm especificando para desmontar instruções como de 32 bits, e depois, como de 16 bits. A saída ficará como no print abaixo:

Repare que tanto em 32 quanto 16 bits a instrução mov ah, bh não muda. Porém as instruções mov eax, ebx e mov ax, bx são a mesma instrução.

Só o que muda de um para outro é o operand-size. Enquanto em 32-bit por padrão o operand-size é de 32 bits, em 16-bit ele é de 16-bit. Por isso que se dizemos para o disassembler que as instruções são de 16-bit ele desmonta a instrução como mov ax, bx. Porque é de fato essa operação que o processador em modo de 16-bit iria executar, não é um erro do disassembler.

E isso não vale só para registradores mas também para operandos imediatos e operandos em memória. Vamos fazer outro experimento:

Os comandos:

A saída fica assim:

Entendendo melhor a saída do ndisasm:

• A esquerda fica o raw address da instrução em hexadecimal, que é um nome bonitinho para o índice do primeiro byte da instrução dentro do arquivo (contando a partir de 0).

• No centro fica o código de máquina em hexadecimal. Os bytes são mostrados na mesma ordem em que estão no arquivo binário.

• Por fim a direita o disassembly das instruções.

Repare que quando dizemos para o ndisasm que as instruções são de 32-bit ele faz o disassembly correto e mostra mov eax, 0x11223344. Porém quando dizemos que é de 16-bit ele desmonta mov ax, 0x3344 seguido de uma instrução que não tem nada a ver com o que a gente escreveu.

Se você prestar atenção no código de máquina vai notar que nosso operando imediato 0x11223344 está bem ali em little-endian logo após o byte B8 (o opcode). Porque é assim que operandos imediatos são dispostos no código de máquina, o valor imediato faz parte da instrução.

Agora no segundo caso quando dizemos que são instruções de 16-bit a instrução não espera um operando de 4 bytes mas sim 2 bytes. Por isso o disassembler considera isto aqui como a instrução:

Os bytes 22 11 ficam sobrando e acabam sendo desmontados como se fossem uma instrução diferente. Na prática o processador também executaria o código da mesma maneira que o ndisasm o desmontou, um dos motivos do porque código de modos de processamento diferentes não são compatíveis entre si.

Address-size

O atributo de address-size define o modo de endereçamento. O tamanho padrão do offset acompanha a largura do barramento interno do processador (ou o tamanho do Instruction Pointer).

Quando o processador está em modo de 16-bit pode-se usar endereçamento de 16 ou 32 bits. O mesmo vale para modo de 32-bit onde se usa por padrão 32 bits de endereçamento mas dá para usar modo de endereçamento de 16 bits.

Já em 64-bit o address-size é de 64 bits por padrão, mas também é possível usar endereçamento de 32 bits.

Mas o atributo não muda somente o tamanho do offset mas todo ele devido ao fato de haver diferenças entre o modo de endereçamento de 16-bit e de 32-bit. Observe o disassembly no print:

A instrução mov byte [bx], 42 compilada para 16-bit não altera apenas o tamanho do registrador, quando está em 32-bit, mas também o registrador em si. Isso acontece devido as diferenças de endereçamento já explicadas neste livro em A base→Endereçamento.

Agora observe a instrução mov byte [ebx], 42 compilada para 32-bit:

Desta vez a diferença entre 32-bit e 64-bit foi unicamente relacionado ao tamanho. Mas agora um último experimento: mov byte [r12], 42. Desta vez com um registrador que não existe uma versão menor em 32-bit.

Existem duas diferenças: o registrador mudou para ESP e um byte 41 ficou sobrando antes da instrução. Dando um pouco de spoiler do próximo tópico do livro, o byte que sobrou ali é o prefixo REX que não existe em 32-bit e por isso foi interpretado como outra instrução.

Segment

Como explicado no tópico que fala sobre registradores de segmentos algumas instruções fazem o endereçamento em determinados segmentos. O atributo de segmento padrão é definido de acordo com qual registrador é usado como base no endereçamento.

Exemplos: