2013年12月3日火曜日

はじめてのアセンブリ(Lisp編)

1 はじめに

( Lisp Advent Calendar 2013 3日目の記事です )
FortranやLispが誕生して50年以上の月日が経過した現在では、 世の大半のプログラムがCやJavaやExcel VBAといった高級言語で作られています。
多くのプログラマにとっては、もはやアセンブリは直接書く必要のないものなのかもしれません。
しかし、(たとえあまり使うことがなくても)Lispを学ぶことで悟りを得られる(らしい)ように、 アセンブリを学ぶことで普段使っているOSやコンパイラやVMが一体何をしているのかを学ぶ手助けとなるのではないかと思います。
低レイヤーもカバーするプログラマを目指して、アセンブリ言語をアセンブラでアセンブルして実行してみましょう。

2 足し算

最初にアセンブラを用意しましょう。ここ(http://ccl.clozure.com/)からダウンロードできます。
現在の最新リリースバージョンは1.9なので、以降の内容は Clozure CL 1.9 (Linux X8664) を前提とします。
アセンブリを書くための作業環境として、パッケージを作成しておきます。 
(defpackage asm
  (:use :cl :ccl)
  (:import-from :ccl defx86lapfunction))

(in-package :asm)
まずは2つの整数を加算する関数を書いてみます。
1行ずつ解説もつけてみました。 
;; add2という関数を定義します。
;; 引数はaとbで、それぞれレジスタarg_yとarg_zを使って渡します。
;; arg_yとarg_zはそれぞれRDIとRSIの別名です。
(defx86lapfunction add2 ((a arg_y) (b arg_z))
  ;; 引数が2つかどうかチェックします。(lapmacro)
  (check-nargs 2)
  ;; RBPをスタックに積みます(スタックフレーム作成その1)
  (pushq (% rbp))
  ;; RSPをRBPに設定(代入)します(スタックフレーム作成その2)
  (movq (% rsp) (% rbp))
  ;; 引数同士を加算してbに保存します。
  (addq (% a) (% b))
  ;; スタックフレームを復元します(BPをSPにコピー,スタックからpopした値をBPにコピー)
  (leave)
  ;; b(arg_z)に保存した値を戻り値として関数を終了します。
  (single-value-return))

;; 実行します。
(add2 1 2)
;; => 3

3 分岐

条件分岐のサンプルとして、引数が1のときに1を、それ以外の時に0を返す関数を作成します。
アセンブリの条件分岐は、cmp命令やtest命令で比較処理時に設定されるフラグを使った条件付きのジャンプ命令で行います。 
(defx86lapfunction one? ((n arg_z))
  (check-nargs 1)
  (pushq (% rbp))
  (movq (% rsp) (% rbp))
  (movq (% n) (% rax))
  ;; 戻り値のデフォルト値として1(1である)を設定します。
  (movq ($ '1) (% arg_z))
  ;; RAXと測値1を比較します。
  (cmpq ($ '1) (% rax))
  ;; RAX==1の時, ENDラベルまでジャンプします。
  (je END)
  ;; (RAX!=1の時) 戻り値に0(1でない)を設定します。
  (movq ($ '0) (% arg_z))
  ;; ENDラベル
  END
  (leave)
  (single-value-return))

;; 実行
(one? 0)
;; => 0
(one? 1)
;; => 1
(one? 2)
;; => 0

4 CPUID

最後にCPUID命令を実行して情報を取得する関数を作成します。
CPUIDはEAXレジスタに取得したい情報の種類を指定して呼び出すと、EAX、EBX、ECX、EDXに情報を格納してくれる命令です。 CPUID(Wikipedia)
引数に取得する情報の種類を取り、4つのレジスタの値を返す関数を作成してみます。
なお、自由に使えるレジスタが少ないっぽいので一旦スタックに積んだりしてます。 
(defx86lapfunction cpuid ((operation arg_z))
  ;; 引数の数をチェック
  (check-nargs 1)
  ;; スタックフレーム作成
  (pushq (% rbp))
  (movq (% rsp) (% rbp))
  ;; CPUIDで上書きされてしまうRBXを保存
  (pushq (% rbx))
  ;; CPUIDで取得する情報の種類をRAX(EAX)に保存
  (unbox-fixnum operation rax)
  ;; CPUID命令実行
  (cpuid)
  ;; 呼び出し結果をlispのfixnumに変換
  (box-fixnum rbx rbx)
  ;; 多値で返すためにスタックに積む(2つ目)
  (pushq (% rbx))
  ;; 退避していたRBXの値を復元
  (movq (@ 8 (% rsp)) (% rbx))
  (box-fixnum rax rax)
  ;; 多値で返すためにスタックに積む(1つ目)
  (movq (% rax) (@ 8 (% rsp)))
  (box-fixnum rcx rcx)
  ;; 多値で返すためにスタックに積む(3つ目)
  (pushq (% rcx))
  (box-fixnum rdx rdx)
  ;; 多値で返すためにスタックに積む(4つ目)
  (pushq (% rdx))
  ;; 戻り値の数を設定
  (set-nargs 4)
  ;; 関数を終了して多値を返す
  (jmp-subprim .SPnvalret))

(defun u32->str (n)
  (map 'string
       (lambda (byte) (code-char (ldb byte n)))
       (list (byte 8 0)
             (byte 8 8)
             (byte 8 16)
             (byte 8 24))))

;; 実行
(multiple-value-bind (_ ebx ecx edx) (cpuid 0)
  (format nil "~A~A~A"
          (u32->str ebx)
          (u32->str edx)
          (u32->str ecx)))
;; => "GenuineIntel"
※ Lisp Advent Calendar 2日目でタグの話題がありましたが、CCLはポインタにタグが付いてるタイプのLispです。 なので、Lisp側から整数の1を渡したつもりでも機械語としてはタグの分(ここでは3bit)ずれた値になってしまいます。 box/unboxはこのずれを補正するための処理で、実際には掛け算やシフトが行われています。

5 おわりに

あせんぶりとりすぷがあわさりさいきょうにみえる

6 メモ書き

  • 測値を指定する際にクオートをつけるとlispのfixnum、付けないと機械語の整数になるっぽい
  • 引数が4つ以上になるとスタックを使わなければならない
  • レジスタの別名は compiler/X86/X8664/x8664-arch.lisp で定義されている
  • (:^ lab) : label address expression
  • sar: Shift Arithmetic Right
  • lea: load effective address
  • leave: high level procedure exit (BPをSPにコピー,スタックからpopした値をBPにコピー)
  • disassembleすると出てくる (lea (@ disp (% rip)) (% fn))は、関数のポインタに関数を表すタグ(7)をつけた値をfnレジスタに設定する処理らしい。この命令のバイト数が7になることを利用しているっぽい。
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