X86アセンブラ/基本的なFAQ

X86アセンブラの基本的なFAQ

アセンブリ言語とは何ですか？

アセンブリ言語は、機械語に非常に近いプログラム言語です。高水準言語（CやPythonなど）に比べて、アセンブリ言語はプロセッサの命令セットに直接対応しています。これにより、ハードウェアの制御や最適化が可能になりますが、記述が複雑で、プラットフォームに依存します。

X86アセンブリ言語とは何ですか？

X86アセンブリ言語は、IntelとAMDのX86アーキテクチャのプロセッサで動作するアセンブリ言語です。X86アーキテクチャは、広く使用されているPCやサーバーのプロセッサに採用されています。

X86アセンブリ言語の基本的な構文は何ですか？

X86アセンブリ言語には、以下の基本的な構文があります。

命令（Instruction）

CPUに実行させる操作を指定します。例: MOV AX, BX（AXレジスタにBXレジスタの値を移動）

オペランド（Operand）

命令の対象となるデータです。レジスタ、メモリ、即値などがあります。

ラベル（Label）

プログラム内の位置を示す識別子です。ジャンプ命令のターゲットとして使用されます。例: start:

コメント（Comment）

プログラムの説明や注釈を記述します。例: ; This is a comment

アセンブリ言語の利点と欠点は何ですか？

利点

高いパフォーマンス

ハードウェアに近いレベルで制御できるため、最適化が可能。

ハードウェア制御

デバイスドライバや組み込みシステムの開発に適している。

欠点

難読性

高水準言語に比べて読み書きが難しい。

移植性の欠如

特定のアーキテクチャに依存するため、異なるプラットフォームへの移植が難しい。

開発効率の低下

高水準言語に比べて開発時間が長くなることが多い。

アセンブリプログラムをアセンブルするにはどうすればよいですか？

アセンブリプログラムをアセンブルするには、アセンブラ（例: NASM, MASM, GAS）を使用します。以下は、NASMを使用した簡単な例です。

1. アセンブリコードをファイル（例: program.asm）に記述します。
2. ターミナルで以下のコマンドを実行してオブジェクトファイルを生成します。

      nasm -f elf64 -o program.o program.asm
   

3. リンカ（例: ld）を使用して実行可能ファイルを生成します。

      ld -o program program.o
   

4. 実行可能ファイルを実行します。

      ./program
   

アセンブリプログラムでよく使われるレジスタは何ですか？

X86アセンブリ言語では、以下のレジスタがよく使用されます。

汎用レジスタ

AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP

セグメントレジスタ

CS, DS, SS, ES, FS, GS

インデックスレジスタ

SI, DI

スタックポインタ

SP, BP

プログラムカウンタ

IP（x86-64ではRIP）

X86アセンブリのデバッグ方法は何ですか？

アセンブリプログラムをデバッグするには、デバッガを使用します。代表的なデバッガとしては、gdbやWinDbgがあります。以下は、gdbを使用した簡単なデバッグの例です。

1. アセンブル時にデバッグ情報を含めます。

      nasm -f elf64 -g -F dwarf -o program.o program.asm
   

2. デバッガを起動し、プログラムを読み込みます。

      gdb ./program
   

3. ブレークポイントを設定し、実行します。

<sytaxhighlight lang=text>

  (gdb) break main
  (gdb) run

</syntaxhighlight>

1. ステップ実行やレジスタの確認を行います。

<sytaxhighlight lang=text>

  (gdb) step
  (gdb) info registers

</syntaxhighlight>

よく使われるX86アセンブラは何ですか？

以下は、よく使われるX86アセンブラです。

NASM (Netwide Assembler)

クロスプラットフォームで使用できるアセンブラ。主にLinuxやWindowsで使用されます。

MASM (Microsoft Macro Assembler)

主にWindowsで使用されるアセンブラ。Visual Studioと統合されています。

GAS (GNU Assembler)

GNUツールチェーンの一部として提供されるアセンブラ。主にLinuxで使用されます。

X86アセンブリ言語での基本的なプログラム例は何ですか？

以下は、Hello, World!を表示する基本的なX86アセンブリプログラムの例です。

<sytaxhighlight lang=asm>

section .data

   msg db 'Hello, World!', 0

section .text

   global _start

_start:

   ; write(1, msg, 13)
   mov rax, 1
   mov rdi, 1
   mov rsi, msg
   mov rdx, 13
   syscall

   ; exit(0)
   mov rax, 60
   xor rdi, rdi
   syscall

</sytaxhighlight>

アセンブリ言語の最適化の基本的な方法は何ですか？

アセンブリ言語の最適化には以下の方法があります。

ループの最適化

不要な命令を削減し、ループの実行を高速化します。

レジスタの有効活用

メモリアクセスを減らし、レジスタを活用します。

命令の並べ替え

パイプラインの効率を上げるために、命令の順序を工夫します。

以上が、X86アセンブリの基本的なFAQです。アセンブリ言語は学習曲線が急ですが、低レベルのプログラミングを理解する上で非常に有益です。

プログラムと機械語

hello.c

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello world\n");
}

これは、高級言語の１つC言語で書かれた、短く有名なプログラムです。

これをコンパイルして、結果を llvm-objdump というツールでどのような機械語に変換されるか見てみましょう。

amd64をターゲットとしたコンパイル

% clang -c -g -o hello hello.c
% llvm-objdump  -S hello

hello:  file format elf64-x86-64

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
; int main() {
       0: 55                            pushq   %rbp
       1: 48 89 e5                      movq    %rsp, %rbp
;     printf("Hello world\n");
       4: 48 8d 3d 00 00 00 00          leaq    (%rip), %rdi            # 0xb <main+0xb>
       b: b0 00                         movb    $0, %al
       d: e8 00 00 00 00                callq   0x12 <main+0x12>
; }
      12: 31 c0                         xorl    %eax, %eax
      14: 5d                            popq    %rbp
      15: c3                            retq

Cで書かれたソースコードの間に

       0: 55                            pushq   %rbp

のようにソースコードになかった行があるのがコンパイル結果の機械語（55）とそのアセンブリ言語の表記（pushq %rbp）です。

この例は、amd64 を対象にコンパイルしているので、機械語およびアセンブリ言語の表記は amd64 のものですが、異なるプロセッサでは結果も異なります。

arm64をターゲットとしたコンパイル

% clang -c -g -o hello hello.c
% llvm-objdump  -S hello

hello:  file format elf64-littleaarch64

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
; int main() {
       0: a9bf7bfd      stp     x29, x30, [sp, #-16]!
       4: 910003fd      mov     x29, sp
       8: 90000000      adrp    x0, 0x0 <main+0x8>
       c: 91000000      add     x0, x0, #0
;     printf("Hello world\n");
      10: 94000000      bl      0x10 <main+0x10>
      14: 2a1f03e0      mov     w0, wzr
; }
      18: a8c17bfd      ldp     x29, x30, [sp], #16
      1c: d65f03c0      ret

同じソースコードからのコンパイル結果ですが、プロセッサが違うと全く結果が違うことがわかります。

このように、Cのような高級言語を使うことで、プロセッサが違ってもプログラミング上は意識しなし、あるいは意識することが少なくなります。

コンピュータはアセンブリ言語をどのように読んで理解するのか?

コンピュータ自体は本質的には何も「読んだり」「理解したり」することはありません。コンピュータには意識や自覚がないからですが、それはあまり関係ありません。実際のところ、コンピュータはあなたが書いたアセンブリ言語を読むことはできません。あなたのアセンブラは、アセンブリ言語を「機械語」と呼ばれるバイナリ形式の情報に変換し、それをコンピュータが操作するために使用します。もしコードをアセンブルしなければ、コンピュータにとってはまったく理解できないものです。

ただし、アセンブリ言語は重要です。なぜなら、各アセンブリ命令は通常、単一の機械語に対応しており、何もない状態から「一般の人々」が空白の紙、鉛筆、アセンブリ命令のリファレンスブックだけでこのタスクを直接行うことが可能だからです。実際、コンピュータの初期にはこれが一般的な作業であり、一部の基本的なコンピュータプログラムにおいて、マシン命令を手動で組み立てることが必要でした。スティーブ・ウォズニアックが初期のApple Iコンピュータで使用するために、整数BASICインタプリタ全体を6502機械語に手動で組み立てたのがその典型的な例です。ただし、商業的に配布されるソフトウェアのために行われるこのような作業は非常にまれであり、その事実だけで特別な言及を受けるほどです。実際にこれを行ったプログラマは非常に少数であり、数命令以上の作業を行った人物はほとんどおらず、場合によっては教室の課題のために行ったとしてもほんの一部です。

Windows/DOS/Linux上のアセンブリ言語は同じですか？

この質問の答えは「はい」と「いいえ」の両方です。基本的なx86機械語はプロセッサにのみ依存しています。x86バージョンのWindowsとLinuxは明らかにx86機械語上に構築されています。x86アセンブリ言語でのLinuxとWindowsのプログラミングにはいくつかの違いがあります。

1. Linuxコンピュータでは、最も一般的なアセンブラはAT&T構文を使うGASアセンブラと、MASMに似た構文を使うNASM（Netwide Assembler）があります。
2. Windowsコンピュータでは、最も一般的なアセンブラはIntel構文を使用するMASMですが、多くのWindowsユーザーはNASMも使用しています。
3. 利用可能なソフトウェア割り込みやシステムコールとその機能は、WindowsとLinuxで異なります。
4. 利用可能なコードライブラリもWindowsとLinuxで異なります。

同じアセンブラを使用しても、各オペレーティングシステムで書かれた基本的なアセンブリコードは基本的に同じですが、WindowsとLinuxでは異なる方法で相互作用します。

どのアセンブラがベストか?

短い答えとしては、どのアセンブラも他より優れているわけではありません。それは個人の好みの問題です。

長い答えとしては、異なるアセンブラには異なる機能や欠点などがあります。もしGASの構文しか知らない場合は、おそらくGASを使いたいでしょう。Intelの構文を知っていてWindowsマシンで作業しているなら、MASMを使いたいと考えるかもしれません。MASMやGASのいくつかのクセや複雑さが気に入らない場合は、FASMやNASMを試してみたいと思うかもしれません。次のセクションで、それぞれのアセンブラの違いについて取り上げます。

アセンブリ言語を知る必要があるか?

アセンブリ言語は、ほとんどのコンピュータタスクでは必要ありませんが、確かに役立つことがあります。アセンブリ言語を学ぶことは新しいプログラミング言語を学ぶこととは異なります。新しいプログラムプロジェクトを始める予定であれば（それがブートローダー、デバイスドライバ、またはカーネルでない限り）、おそらくアセンブリを避ける方が賢明です。例外は、最も基本的なループ内でのパフォーマンスを最適化し、コンパイラが非効率なコードを生成している場合などです。ただし、早すぎる最適化はすべての悪の元であり、一部の計算集約型のリアルタイムタスクは、最適化手法を理解し、最初からそれを計画することで十分に最適化できる場合があります。

しかしながら、アセンブリを学ぶことで、コンピュータの内部動作を特定の視点で理解できます。CやAdaのような高レベル言語でプログラムを作成する場合、すべてのコードは最終的に機械語命令に変換されてコンピュータで実行される必要があります。プロセッサが最も基本的なレベルで何ができるかの限界を理解することは、高レベル言語でプログラムを作成する際にも役立ちます。

コードにはどのようにフォーマットを使うべきか?

ほとんどのはアセンブリコードの命令は、それぞれを各行に書き改行で分けている。また、ホワイトスペースが命令、オペランドなどを分けるのに使われる。正確に言えば、コードにどのようなフォーマットを採用すべきかは、あなたにまかされている。しかし、一般的な方法というものはいくつかある。

一つは全てを1行ずつ書く方法である。

Label1:
mov ax, bx
add ax, bx
jmp Label3
Label2:
mov ax, cx
...

もう一つは、ラベルを最初の列に書き、命令をそれ以降の列に書く方法である。

Label1: mov ax, bx
        add ax, bx
        jmp Label3
Label2: mov ax, cx
...

ほかにも、ラベルで1行を使い、命令を少しインデントして書く方法もある。

Label1:
   mov ax, bx
   add ax, bx
   jmp Label3
Label2:
   mov ax, cx
...

これらに加えて、ラベルを最初の列に書き、命令を以降の列に書くが、ラベルには別の行を使う方法もある。

Label1:
        mov ax, bx
        add ax, bx
        jmp Label3
Label2:
        mov ax, cx
...

本当にたくさんの書き方があるが、アセンブリプログラマが一般的に従っているルールがいくつかある。

1. ラベルは、他のプログラマがどこにラベルがあるかはっきり分かるように書く。
2. 構造(インデント)はコードが読みやすいようにする。
3. コメントを使い、何をしているのか説明する。アセンブリ・コードの意味は、すぐにははっきりしないことが多いからである。

インラインアセンブラ

インラインアセンブラは、高水準言語（C、C++など）のコード内にアセンブリ言語のコードを埋め込む手法です。これにより、高水準言語と低水準（アセンブリ）の機能を組み合わせることができます。

インラインアセンブラ自体は、CやC++などのプログラミング言語の一部ではありません。それゆえ、規格標準には含まれていません。各コンパイラ（GCC、Clang、Visual C++など）が独自に提供している機能であり、それぞれのコンパイラによってサポートされる形式や機能が異なることがあります。

インラインアセンブラの使用方法や構文は、コンパイラベンダーのドキュメントやマニュアルで提供される情報に依存します。そのため、プログラムの移植性を確保するためには、インラインアセンブラを使用する際に特定のコンパイラに依存することを避けることが重要です。

具体的な例を見てみましょう。C言語で書かれたプログラム内に、インラインアセンブラを使用してアセンブリコードを挿入する方法を示します。

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 10, b = 20, result;
    
    // インラインアセンブラでのアセンブリコード挿入
    __asm {
        // アセンブリコード
        mov eax, a     // aをeaxレジスタにロード
        add eax, b     // bをeaxレジスタに加算
        mov result, eax // 結果をresultに保存
    }
    
    printf("Result: %d\n", result);
    return 0;
}

この例では、__asmキーワードを使ってインラインアセンブラを開始し、その中にアセンブリ言語のコードを記述しています。アセンブリコードは、mov命令でレジスタに値をロードし、add命令でレジスタ間で加算を行い、最終的に結果をresult変数に保存しています。

インラインアセンブラの利点は、高水準言語と低水準言語を柔軟に組み合わせられることです。特定の最適化や、ハードウェアレベルの操作を高水準言語内で実現することができます。ただし、アセンブリコードの挿入は、プラットフォームやコンパイラに依存するため、移植性に影響を与える可能性があります。また、アセンブリに精通していないと、正確な操作が難しい場合もあります。