作者:周天陽 引言： 匯編語言是低級語言，與硬件和操作系統緊密聯系。個人電腦以前都是用DOS，現在發展成了Windows 98，而另一個操作系統Linux也正在崛起。下面比較一下這三個操作系統： 操 作 系 統 優 點 缺 點 價 格 DOS 較穩定，速度快 無法充分發揮計算機性能，沒有圖形界面 較低 WINDOWS 98 操作簡便， 應用軟件多,硬件兼容性好 不穩定，經常死機，速度慢 高 Linux 性能優秀，非常穩定，界面美觀，操作簡便 缺乏軟件廠商支持，應用軟件少 免費 表 一 操作系統比較 由以上的比較可知，Linux操作系統本身具有較大優勢，它的普及應該只是時間問題，所以如何在Linux下開發軟件是我們計算機系學生必須學習與研究的一個課題。 Linux下的主要編程語言是C，同時Linux還支持其他許多編程語言，匯編語言作為最重要的編程語言之一，當然也包括在內。它能夠完成許多其他語言所不能完成的功能。要學習Linux編程，就必須要學習Linux下的匯編程序設計。下面我就來介紹一下Linux下的匯編程序設計。 Linux匯編簡介： 一、匯編語言的優缺點： 由於Linux是用C寫的，所以C自然而然的就成為了Linux的標准編程語言。大部分人都把匯編給忽略了，甚至在因特網上找資料都是非常的困難，很多問題都需要靠自己來嘗試。我認為這樣對待匯編語言是不公平的，不能只看到它的缺點，當然也不能只看到它的優點，下面把它的優缺點作一個比較： 優點：匯編語言可以表達非常底層的東西 l 可以直接存取寄存器和I/O l 編寫的代碼可以非常精確的被執行 l 可以編寫出比一般編譯系統高效的代碼 l 可以作為不同語言或不同標准的接口 缺點：匯編語言是一個非常低級的語言 l 非常冗長單調，在DOS下編程時就可以體會到 l 易出BUG，且調試困難 l 代碼不易維護 l 兼容性不好，與硬件關系非常緊密 總的來說，匯編語言要用在必須的地方，盡量少用匯編編寫大型程序，多采用inline模式。 二、匯編語言工具： DOS下常用的工具MASM和TASM到Linux下就用不起來了，Linux有自己的匯編工具，而且種類非常的多。其中Gas可以算是標准配置，每一種Linux中都包括有Gas，但是GAS采用的不是我們通常在DOS下采用的匯編語法，它采用的是AT＆T的語法格式，與intel語法格式有很大的不同。 如果要采用與DOS接近的語法格式，就必須用另一種匯編工具NASM，NASM基本與MASM相同，但也有不少地方有較大區別，特別涉及到操作系統原理時，與DOS可以說是截然不同。 Linux匯編程序設計： 一、Hello,world! 幾乎所有的語言入門篇都是以“Hello,world!”為例，那麼我也以Hello,world!為例開始。 ;-------------NASM’s standalone Hello-World.asm for Linux -------- section .text extern puts global main main: push dWord msg ;stash the location of msg on the stack. call puts ;call the "puts" routine (libc?) add esp, byte 4 ;clean the stack? ret ;exit. msg: db "Hello World!",0 編譯： nasm –f elf hello.asm gcc –o hello hello.o 說明：這個程序實際上是調用了，Linux系統的puts函數，原理與調用DOS下C語言的函數相同，先用Extern聲明puts是外部函數，再把參數（即msg的地址）壓入堆棧，最後Call函數實現輸出。 我們再來看一個程序： section .text global main main: mov eax,4 ;4號調用 mov ebx,1 ;ebx送1表示stdout mov ecx,msg ;字符串的首地址送入ecx mov edx,14 ;字符串的長度送入edx int 80h ;輸出字串 mov eax,1 ;1號調用 int 80h ;結束 msg: db "Hello World!",0ah,0dh （編譯同上一個程序） 這個程序與DOS程序十分相似，它用的是linux中的80h中斷，相當於DOS下的21h中斷，只是因為Linux是32位操作系統，所以采用了EAX、EBX等寄存器。但是Linux作為一個多用戶的操作系統與DOS又是有著非常大的區別的。要寫出有特色的程序，不了解操作系統和硬件是不行的。下面我介紹一下Linux操作系統。 二、Linux操作系統簡介： 操作系統實際是抽象資源操作到具體硬件操作細節之間的接口。對Linux這樣的多用戶操作系統來說，它需要避免用戶對硬件的直接訪問，並防止用戶之間的互相干擾。所以Linux接管了BIOS調用和端口輸入輸出，關於端口輸入輸出方面請參閱Linux IO-Port-Programming HOWTO。而要通過Linux對硬件硬件進行訪問就需要用到System Call，實際上是許多C的函數，可以在匯編程序中調用，調用方法與DOS下的匯編完全相同，而且用ASM匯編時不用鏈接額外的庫函數。 Linux與DOS的主要區別在於內存管理、進程（DOS下無進程概念）、文件系統，其中內存管理和進程與匯編編程的關系比較密切： 1、內存管理： 對任一台計算機而言，其內存以及其他資源都是有限的。為了讓有限的物理內存滿足應用程序對內存的大需求量，Linux采用了稱為“虛擬內存”的內存管理方式。Linux將內存劃分為容易處理的“內存頁”，在系統運行過程中，應用程序對內存的需求大於物理內存時，Linux可將暫時不用的內存頁交換到硬盤上，這樣，空閒的內存頁可以滿足應用程序的內存需求，而應用程序卻不會注意到內存交換的發生。 2、進程 進程實際是某特定應用程序的一個運行實體。在Linux系統中，能夠同時運行多個進程，Linux通過在短的時間間隔內輪流運行這些進程而實現“多任務”。這一短的時間間隔稱為“時間片”，讓進程輪流運行的方法稱為“調度”，完成調度的程序稱為調度程序。通過多任務機制，每個迸程可認為只有自己獨占計算機，從而簡化程序的編寫，每個進程有自己單獨的地址空間，並且只能由這一進程訪問，這樣，操作系統避免了進程之間的互相干擾以及“壞”程序對系統可能造成的危害。 為了完成某特定任務，有時需要綜合兩個程序的功能，例如一個程序輸出文本，而另一個程序對文本進行排序。為此，操作系統還提供進程間的通訊機制來幫助完成這樣的任務。Linux中常見的進程間通訊機制有信號、管道、共享內存、信號量和套接字等。 三、Linux下的匯編工具： Linux下的匯編工具可謂百家爭鳴，不像DOS下都要給MASM和TASM給控制了。但是Linux下每一種匯編工具都有很大的區別，要想全部掌握幾乎是不可能的，下面我介紹幾種常用的匯編工具，重點介紹NASM及其使用和語法。 1、GCC GCC其實是GNU的C語言產品，但它支持Inline Assemble，在GCC中inline assemble使用就像宏一樣，但它比宏能更清楚更准確的表達機器的工作狀態。 C是匯編編程的一個高度概括，它可以減少許多匯編中的麻煩，特別是在GCC這個C編譯器中，assemble似乎起不了多大的作用。 2、GAS GAS是Linux各版本中基本的匯編工具，但它采用的是AT&T的語法標准與Intel的語法標准有很大的不同，對於DOS編程的我們來說，學習起來是非常困難的。當然如果要精通Linux下的匯編編程，學習GAS也是非常必要的，具體的語法標准可以參看Using GNU Assembler。 3、GASP GASP是GAS的擴展，它增強了GAS對宏的支持。 4、NASM NASM是linux中語法與DOS最為相像的一種匯編工具。雖說如此，它與MASM也是有著很大區別的。 l NASM的使用格式如下： Nasm –f -o 例如： Nasm -f elf hello.asm 將把hello.asm匯編成ELF object文件，而 Nasm -f bin hello.asm -o hello.com 會把hello.asm匯編成二進制可執行文件hello.com Nasm –h 將會列出NASM命令行的完整說明。 NASM不會有任何輸出，除非有錯誤發生。 -f 在Linux下主要有aout和ELF兩種，如果你不確定你的Linux系統應該用AOUT還是ELF，可以在NASM目錄中輸入 File nasm ，如果輸出nasm: ELF 32-bit LSB executable i386 (386 and up) Version 1表示是ELF，如果輸出nasm: Linux/i386 demand-paged executable (QMAGIC)表示是aout。 l NASM與MASM的主要不同： 首先與linux系統一樣，nasm是區分大小寫的，Hello與hello將是不同的標識符，如果要匯編到DOS或OS/2，需要加入UPPERCASE參數。 其次，nasm中內存操作數都是以[ ]表示。 在MASM中 foo equ 1 bar dw 2 mov ax,foo mov ax,bar 將被匯編成完全不同的指令，雖然它們在MASM中的表達方式完全一樣。而NASM完全避免了這種混亂，它使用的是這樣的規則：所有對內存的操作都必須通過[ ]來實現。例如上例中對bar的操作就要寫成如下形式 mov ax,[bar]。由此可見，nasm中對offset的使用也是沒有必要的（nasm中無offset）。Nasm對[ ]的使用與masm也有所不同，所有的表達式都必須寫在[ ]中，下面舉兩個例子來說明： Masm Nasm Mov ax,table[di] Mov ax,[table+di] Mov ax,es:[di] Mov ax,[es:di] Mov ax,[di]+1 Mov ax,[di+1] Nasm 中不存儲變量類型，原因很簡單masm中通過[ ]尋址方式的變量也必須要指定類型。Nasm中不支持LODS, MOVS, STOS, SCAS, CMPS, INS, OUTS，只支持lodsb、lodsw等已經指定類型的操作。Nasm中不再有assume操作，段地址完全取決於存入段寄存器的值。 關於NASM的使用方法及語法還可以參閱NASM使用手冊。 結論： 我認為不論是在Windows/DOS下還是在Linux下完完全全用匯編編一個大型程序已經是不可能了，也不會有人願意去這樣做。在windows下我們可以用VC，在Linux/Xwindows下我們可以用C甚至C++ Builder，但是像VC、C++ Builder之類的工具盡量隱藏了底層的調用，同時也阻隔了成為高手的機會，因為編出來的程序無法了解它的執行過程也就使編程中最重要的“可預測”性變得很低。正因為如此匯編才有它存在的必要性，同時還有一個更重要的原因，正如《超級解霸》的作者梁肇新所說：“編程序的重點不是“編”，而是調試程序，理論上的完美在實現的時候會遇到很多細節問題，這些問題必須調試才能解決。我的編程習慣是一天寫五天調試，《超級解霸》是調試出來的，而不是寫出來的。調試就涉及到匯編的問題，不進行匯編級的調試是不徹底的，也不能讓人放心。 參考資料： l Jan’s Assemble Homepage by Jan Wagemakers 8.1999 l Linux Assemble HOWTO by Konstantin Boldyshev and Fran鏾is-Ren?Rideau 12.1999 l Linux/i386 System Calls By Konstantin Boldyshev 1999
