Laboratorium języków assemblerowych, ćwiczenie 1

Do wykonania ćwiczenia niezbędny jest komputer PC w postaci maszyny fizycznej lub wirtualnej z systemem Windows 7, 8, 8.1 lub 10, z zainstalowanym i skonfigurowanym środowiskiem programistycznym Microsoft Visual Studio 2019 w wrsji co najmniej Community Edition ¹⁾. Do pracy w laboratorium nada się również wersja VS Professional lub Enterprise. Proszę natomiast nie pomylić z Visual Studio Code, to zupełnie inny produkt, który nie nadaje się wprost do wykorzystania w naszym laboratorium do realizacji zadań, w szczególności kolejnych ćwiczeń.

W przypadku chęci skorzystania z gotowej maszyny, obraz można pobrać m.in. z poniższego linku:

• Opcja 1: Windows 10 + Visual Studio 2019 Enterprise ²⁾;
• Opcja 2: Windows 10, a następnie własnoręczna instalacja Visual Studio 2019 Community³⁾;

Jako środowisko witualizacyjne można wykorzystać Oracle Virtual Box⁴⁾, dostępne praktycznie na każdą platformę desktopową. W przypadku instalacji Linuxowych typu headless, można wykorzystać KVM⁵⁾.

Proszę rownież pamiętać o zainstalowaniu dodatków specyficznych dla platformy wirutalizacyjnej (np, Oracle Virtual Box Add-ons), co może pociągać za sobą konieczności w zmianie konfiguracji maszyny wirtualnej (np. konieczność dołożenia napędu wirtualnego w celu zainstalowania ww dodatków). Sugeruję rownież zwiększenie pamięci RAM do co najmniej 8GB (o ile to możliwe), liczby dostępnych wątków procesora (przynajmniej 2) oraz zmianę wirtualnej karty graficznej na zgodną z akceleracją sprzętową DirectX/Direct 3D (np. w Oracle Vitual Box jest to karta VBoxSVGA).

Instalator Visual Studio Communicy Edition 2019 pozwala na zainstalowanie wielu różnych komponentów. Minimalny zestaw komponentów został przedstawiony na poniższych rysunkach 1, 2, 3:

Studenci muszą rozumieć sposób tworzenia i działania aplikacji typu “Command Line”, podstawy języka assembler, C++ i C#

W ramach tego ćwiczenia stworzysz w czystym assemblerze dla x64 (procesory Intel/AMD, 64 bity) aplikację konsolową, która będzie prowadziła interakcję z systemem operacyjnym Windows 10 (7, 8, 8.1) wywołując jego funkcje poprzez interfejs Windows API.

Jest to przykład technologiczny, ponieważ tworzenie w ten sposób skomplikowanych aplikacji i złożonych interfejsów użytkownika jest … bezsensowne , choć możliwe. Natomiast zdedycowanie przyda się przy robieniu prostych usług obliczeniowych, narzędzi, etc., które wymagają zwartości kodu i wykonywania zadań z maksymalną prędkością.
Zwróć uwagę, że podane przykłady nie ograniczają się do funkcji interfejsu użytkownika, a obejmują całe Windows API. A ze względu na rozmiar aplikacji, całość niejednokronie mieści się w pamięci L1 procesora, zatem wykonuje się niespotykanie szybko.

Ponieważ w Visual Studio nie ma gotowego modelu projektu na potrzeby aplikacji w czystym assemblerze, wykorzystamy model aplikacji konsolowej w języku C++ i przezbroimy go na potrzeby kompilacji zamiast kodu w języku C++, kodu w czystym assemblerze.

Takie podejście wymaga ręcznego przekonfigurowania kilku pramatetrów we właściwościach projekt, a w szczególności:

• zmiany kompilatora na masm;
• zmiany docelowej platformy na x64;
• podania nazwy głównej funkcji jako punktu wejścia ([Entry Point]) tak, aby sytem operacyjny wiedział, którą funkcję ma zawołać po uruchomieniu aplikacji - w wielu językach i środowiskach programowania jest to domyślnie funkcja main(), natomaist w przypadku assemblera, nie ma takiej reguły i trzeba podać samemu, o którą funkcję chodzi;
• uzupełnienia brakujących bibliotek: od wersji 2019 środowiska (w szczególności pod Windows 10) cześć standardowych funkcji dostępnych uprzednio domyślnie w bibliotekach linkowanych do każdego projektu, aktualnie zostało wyłączonych i trzeba je jawnie wskazać; uwaga - dokładny skład bibliotek jest zależny oczywiście od tego, co jest wykorzystywane (wywoływane) w kodzie źródłowym - w środowisku produkcyjnym należy zoptymalizować kod poprzez usunięcie zbędnych bibliotek;

W przypadku pisania kodu w języku assembler, każdy bajt musi być przydzielony, zadeklarowany i użytkowany w odpowiedni sposób, szczególnie w kontekście wywoływania funkcji Windows API.
Ponieważ pracujemy na systemie 64.-bitowym, konieczne jest stosowane reguł wywołania funkcji zgodnie z kanonem.

Parametry wywołania funkcji przekazujemy poprzez rejestry, o ile ich liczba nie przekracza czterech. W przeciwnym wypadu przekazujemy je przez stos (pozostałe). Natomiast obowiązkowo należy zaalokować na stosie przestrzeń na argumenty nawet … jeśli przekazujemy je przez rejestry ⁶⁾.

W przypadku, gdy do funkcji przekazujemy argumenty numeryczne całkowite, w szczególności np. adresy i wskaźniki, należy użyć w kolejności następujących rejestrów:

1. argument 1 → RCX,
2. argument 2 → RDX,
3. argument 3 → R8,
4. argument 4 → R9,
5. każdy kolejny argument umieszczamy na stosie z zachowaniem szesnastobitowego wyrównania danych (z przyczyn wydajnościowych).

Przykładowy kod w C++:

func1(int a, int b, int c, int d, int e, int f);
// a w RCX, b w RDX, c w R8, d w R9, f, a następnie e, są odkładane na stosie

W przypadku przekazywania argumentów zmiennoprzecinkowych, kolejne wartości łądujemy do rejestrów XMM:

1. argument 1 → XMM0,
2. argument 2 → XMM1,
3. argument 3 → XMM2,
4. argument 4 → XMM3,
5. analogicznie jak dla stałoprzecinkowych.

Przykładowy kod w C++:

func2(float a, double b, float c, double d, float e, float f);
// a jest XMM0, b w XMM1, c w XMM2, d w XMM3, f a następnie e są odkładane na stosie

W przypadku mieszania argumentów zmiennoprzecinkowych z dziesiętnymi, stosuje się system pozycyjny w zależności od typu, a zatem jeśli przekazujemy np, int1, float1, float2, int2, to wartości należy umieścić w rejestrach (w kolejności):

1. int1 → RCX,
2. float1 → XMM1,
3. float2 → XMM2,
4. int2 → R9,
5. piąty i następny argument poprzez stos.

Przykładowy kod w C++:

func3(int a, float b, float c, int d, int e, float f);
// a w RCX, b w XMM1, c w XMM2, d w R9, f, a następnie e, poprzez stos

Wartość całkowita (w tym wskaźnik) zwracana jest w rejestrze RCX.
Wartości zmiennoprzecinkowa zwracana jest w rejestrze XMM0.

Stwórz nowy projekt: aplikacja typu command-line (konsolowa) dla języka C++, natywnego (nie C++ .NET) rysunek 4

Usuń wygenerowany plik .cpp (z poziomu VS) a następnie dodaj nowy plik .asm (można to zrobić klikając w projekt (nie w solucję!) i wybierając dodanie nowego elementu rysunek 5, a następnie wybrać plik typu tekstowego i zmienić jego nazwę oraz rozszerzenie rysunek 6:

W celu konwersji należy poinformować VS, że pliki źródłowe będą kompilowane za pomocą MASM a nie kompilatora C/C++. W tym celu klikamy prawym przyciskiem na projekt i wybieramy opcję dostosowania budowania projektu rysunek 7. W ustawieniach należy wybrać masm(.targets, .props) rysunek 8.

Następnie należy zmienić rodzaj budowanej aplikacji z x86 (aplikacja 32-bitowa) na x64 (aplikacja 64-bitowa): menu Build→Configuration Manager rysunek 9.

W tym kroku poinformujemy linker, jaki punkt startowy ma wpisać do pliku wykonywanego. W językach wysokiego poziomu jest to domyślnie funkcja main(). W przypadku assemblera nie ma takiego założenia, a zatem kod źródłowy musi być zgodny z ustawioną tutaj wartością.

W podanym przykładzie, nazwa funkcji to mojaFunkcjaAsm. Aby dostać się do okna konfiguracyjnego należy w drzewie projektu wskazać projekt (nie solucję!), a następnie prawym przyciskiem myszy kilknąć w projekt, wybrać pozycję Properties, lub na skróty [Alt+Enter]. Pojawi się okienko jak na rysunku 10. Następnie w sekcji Linker należy wybrać opcję Advanced i w polu Entry Point wpisać nazwę funkcji.

W tej sekcji należy również dołożyć brakujące biblioteki, z których będziemy korzystać. Uwaga - w zależności od wersji Windows i bieżącego poziomu aktualizacji, ten krok może nie być potrzebny, ale nie zaszkodzi. W szczególności w tych bibliotekach znajdują się finkcje typu sprintf.
Uwaga - podane biblioteki należy dołożyć do tych, które standardowo już tam się znajdują. Usunięcie znajdujących się tam bibliotek (m.in. kernel32.lib,user32.lib) spowoduje brak możliwości użycia standardowych okienek dialogowych oraz interakcji z Windows API. Aby dołożyć biblioteki należy wskazać w menu Linker pozyję Input, a następnie wybrać Additional Dependencies i opcję <Edit..> po rozwinięciu listy wyboru. Następnie w górnym polu wpisać nazwy plików bibliotecznych, które mają być dostępne dodatkowo podczas kompilacji (jedna pozycja w linii).
Biblioteki do uzupełnienia to:

• legacy_stdio_definitions.lib
• legacy_stdio_wide_specifiers.lib

Szczegóły na rysunku 11.

Zaimplementuj odczyt daty (użyj funkcji GetSystemTime(sysinfoapi.h)⁷⁾ odczytującej strukturę _SYSTEMTIME(minwinbase.h)⁸⁾. Struktura składa się z 8 wartości szesnastobitowych.

Skonwertuj rok, miesiąc i dzień do postaci tekstowej ASCII i wyświetl na ekranie za pomocą:

• w linii poleceń (cmd) za pomocą funkcji WriteConsoleA;
• w okienku dialogowym, za pomocą funkcji MessageBoxA;

Możesz dodatkowo wyświetlić bieżącą godzinę, minuty i sekundy.

Uwagi praktycznie odnośnie debbugowania i podglądania pamięci:

• Pamiętaj, aby na poziomie wywołań funkcji Windows API nigdy nie wykonywać operacji wejścia do wewnątrz ich definicji (Step Into, F11), o ile wcześniej nie zainstalowałeś Windows SDK wraz z definicjami i kodem źródłowym. Zamiast tego należy używać przejściea do następnej instrukcji (Step Over, F10)
• Okno rejestrów domyślnie pokazuje tylko podstawowy zestaw: więcej po kliknięciu prawym przyciskiem myszy i włączeniu innych zestawów rejestrów
• Okno podglądu pamięci pozwala na zmianę formatowania danych z domyślnego, bajtowego, na wiele innych. Np w kontekście podglądu ww. struktury składającej się z danych 16-bitowych zdecydowanie warto zmienić podgląd na 2-bajtowy. Natomiast do podglądania ciągów znaków ASCII należy wrócić do jednobajtowego.

Na rysunku rysunek 12 przedstawiono kolejność działań w celu odczytania (odnalezienia) miejsca w pamięci, gdzie znajduje się zmienna. Breakpoint (pułapkę) należy ustawić bezpośrednio na następnej instrukcji znajdującej sie po LEA, chyba że jest gwarancja, iż instrukcje pomiędzy LEA i breakpointem nie modyfikują danego rejestru. Odczytaną wartość należy przenieść z okienka rejestrów do okienka pamięci. Po wywołaniu funkcji, zawartość rejestru RCX zmienia się, natomiast dane zwracane są do pamięci, jak na rysunku rysunek 13. Zadanie dodatkowe: zamień widoczną na rysunku zawartość pamięci, a dowiesz się, kiedy powstał screenshot .

Teksty oraz okienka pojawiające się na ekranie zgadzają się z algorytmem. Zwróć szczególną uwagę na to, czy nie są generowane losowe ciągi znaków, co może sugerować, że zapomniałeś o kończącej łańcuch wartości 0.

• Visual Studio 2019: https://visualstudio.microsoft.com/vs/
• Przydatne funkcje Windows API: https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/_winmsg/