Справочник по ассемблеру

СПРАВОЧНИК

Справочник-шпаргалка по ассемблеру — типы, синтаксис, стандартная библиотека, типовые паттерны. Не заменяет пошаговое обучение. Учебный курс: раздел.

Навигация по уровню подготовки

Новичку: Основы -> Архитектура -> Типы и регистры -> Управляющие конструкции -> Первая программа.
Уверенному уровню: Подпрограммы -> Макросы -> Линковка модулей -> Взаимодействие с C/C++.
Углубление: Длинная арифметика, SETcc/CMOV, Строковые инструкции, SIMD и float, WinAPI x64.

Справочные таблицы

Содержание справочника

Архитектурные основы и контекст
Инструкции процессора
Работа с памятью и данными
Функции, рекурсия и организация стекового фрейма
Взаимодействие с операционной системой
Отладка, анализ и инструменты
Практические примеры

Архитектурные основы и контекст

Что такое язык ассемблера

Язык ассемблера — низкоуровневый язык для прямого управления CPU. Мнемоника обычно соответствует одной машинной команде; макросы и директивы обрабатывает программа-ассемблер (NASM, GAS). Справочник ориентирован на x86-64, NASM, Linux — для Windows и 32-бит смотрите подписи в курсе. Углублённые темы курса: строковые инструкции, SIMD и float, Windows WinAPI.

Целевые архитектуры

Существует множество архитектур процессоров, каждая из которых имеет собственный набор инструкций (ISA — Instruction Set Architecture). Теория ISA, CISC/RISC и сравнение синтаксиса Intel/AT&T — в отдельной статье. Наиболее распространённые архитектуры, для которых пишут на ассемблере:

x86 — 32-битная архитектура, разработанная Intel, используется в персональных компьютерах.
x86-64 (AMD64 / Intel 64) — 64-битное расширение x86, доминирующая архитектура настольных и серверных систем.
ARM — энергоэффективная архитектура, применяемая в мобильных устройствах, встраиваемых системах и современных ноутбуках.
MIPS — учебная и встраиваемая архитектура, часто используется в образовательных целях.
RISC-V — открытая архитектура с модульным набором инструкций, набирающая популярность в академической и промышленной среде.

Данный справочник ориентирован преимущественно на x86-64, как наиболее актуальную архитектуру для обучения и практического применения на стандартных ПК.

Регистры процессора

Регистры — это сверхбыстрые ячейки памяти внутри процессора, используемые для хранения операндов, адресов и промежуточных результатов вычислений.

Основные регистры общего назначения (в x86-64)

Регистр	Размер	Назначение
`RAX`	64 бит	Аккумулятор, используется в арифметических операциях и возврате значений функций
`RBX`	64 бит	Базовый регистр, часто используется для хранения базовых адресов
`RCX`	64 бит	Счётчик, применяется в циклах и сдвигах
`RDX`	64 бит	Расширенный регистр данных, используется в операциях умножения и деления
`RSI`	64 бит	Источник для строковых операций
`RDI`	64 бит	Приёмник для строковых операций
`RBP`	64 бит	Указатель базы стека (base pointer)
`RSP`	64 бит	Указатель вершины стека (stack pointer)

Каждый из этих 64-битных регистров имеет младшие части:

32-битные — EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP
16-битные — AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP
8-битные — AL, AH, BL, BH, CL, CH, DL, DH и т.д.

Дополнительные регистры (R8–R15)

Архитектура x86-64 добавляет восемь новых 64-битных регистров общего назначения:

R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15

Их младшие части:

32-битные — R8D, R9D, ..., R15D
16-битные — R8W, R9W, ..., R15W
8-битные — R8B, R9B, ..., R15B

Сегментные регистры

CS — код
DS — данные
SS — стек
ES, FS, GS — дополнительные сегменты

В 64-битном режиме сегментация практически отключена, но FS и GS используются для доступа к данным потока или системной информации.

Регистр флагов (`RFLAGS`)

Регистр флагов содержит битовые индикаторы состояния процессора после выполнения операций:

CF (Carry Flag) — флаг переноса, устанавливается при переполнении беззнаковой арифметики
ZF (Zero Flag) — устанавливается, если результат операции равен нулю
SF (Sign Flag) — устанавливается, если результат отрицателен (старший бит = 1)
OF (Overflow Flag) — флаг переполнения знаковой арифметики
PF (Parity Flag) — чётность младшего байта результата
AF (Auxiliary Carry Flag) — перенос между битами 3 и 4 (используется в BCD-арифметике)

Эти флаги используются условными переходами (JZ, JNZ, JS, JO и др.).

Модели памяти и адресация

Память в x86-64 адресуется линейно, с использованием 64-битных виртуальных адресов. Реальный физический адрес формируется через многоуровневую таблицу страниц, но программист работает с виртуальными адресами.

Способы адресации операндов

Непосредственная (immediate)
Значение указано прямо в инструкции:

   mov eax, 42

Регистровая (register)
Операнд находится в регистре:

   mov ebx, eax

Прямая (direct memory)
Операнд по фиксированному адресу:

   mov eax, [0x1000]

Косвенная (indirect)
Адрес хранится в регистре:

   mov eax, [rbx]

Базовая + смещение (base + displacement)

   mov eax, [rbx + 8]

Масштабируемая индексная (scaled index)

   mov eax, [rbx + rsi*4]

База + индекс + смещение

   mov eax, [rbx + rsi*4 + 16]

Все эти формы допустимы в x86-64 и позволяют гибко работать с массивами, структурами и стеком.

Стек

Стек — это область памяти, управляемая по принципу LIFO (Last In, First Out). Указатель стека (RSP) всегда указывает на вершину стека.

Основные операции:

push reg/mem/imm — помещает значение в стек, уменьшая RSP
pop reg — извлекает значение из стека, увеличивая RSP

Стек используется для:

передачи аргументов функций
хранения возвращаемых адресов при вызове подпрограмм
временного хранения регистров

Вызов функций и соглашения о вызовах

В x86-64 на большинстве Unix-подобных систем (Linux, macOS) используется System V AMD64 ABI. В Windows — Microsoft x64 calling convention.

System V AMD64 ABI (Linux/macOS)

Первые 6 целочисленных аргументов передаются в регистрах:
RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9
Первые 8 вещественных аргументов — в XMM0–XMM7
Дополнительные аргументы — через стек
Возвращаемое значение — в RAX (или RDX:RAX для 128-битных значений)
Регистры RBX, RBP, R12–R15 — callee-saved (вызывающая функция ожидает, что они сохранятся)
Регистры RAX, RCX, RDX, R8–R11 — caller-saved

Пример вызова функции

mov rdi, 10      ; первый аргумент
mov rsi, 20      ; второй аргумент
call add_numbers ; вызов функции
; результат в RAX

Секции программы

Программа на ассемблере состоит из секций (sections), каждая из которых имеет своё назначение:

.text — исполняемый код (только чтение, исполняемый)
.data — инициализированные данные (чтение/запись)
.bss — неинициализированные данные (резервирование памяти)
.rodata — константные данные (только чтение)

Пример:

section .data
    msg db 'Hello, world!', 0xA
    msg_len equ $ - msg

section .bss
    buffer resb 256

section .text
    global _start
_start:
    ; код программы

Директивы ассемблера

Директивы — это команды для ассемблера, а не для процессора. Они управляют сборкой программы.

Часто используемые директивы (в NASM):

db, dw, dd, dq — определение байтов, слов, двойных слов, четверных слов
equ — определение константы
resb, resw, resd, resq — резервирование памяти
global — экспортирование метки как точки входа
extern — объявление внешней метки (например, из libc)
times — повторение данных заданное число раз

Системные вызовы (Linux)

В Linux взаимодействие с ядром происходит через системные вызовы. В x86-64 используется инструкция syscall.

Номер системного вызова помещается в RAX, аргументы — в RDI, RSI, RDX, R10, R8, R9.

Пример: вывод строки

mov rax, 1        ; sys_write
mov rdi, 1        ; stdout
mov rsi, msg      ; адрес строки
mov rdx, msg_len  ; длина
syscall

Завершение программы:

mov rax, 60       ; sys_exit
mov rdi, 0        ; код возврата
syscall

Инструкции процессора

Инструкции — это элементарные команды, которые понимает и исполняет процессор. В архитектуре x86-64 существует несколько сотен инструкций, но повседневное программирование использует ограниченный набор. Все инструкции делятся на логические группы — передача данных, арифметика, логические операции, управление потоком выполнения, работа со стеком, системные вызовы и специальные операции.

Передача данных

Эти инструкции перемещают данные между регистрами, памятью и непосредственными значениями.

`MOV` — копирование данных

Синтаксис:

mov приёмник, источник

Примеры:

mov eax, 100        ; загрузка константы
mov ebx, eax        ; копирование регистра
mov [var], ecx      ; запись в память
mov edx, [buffer]   ; чтение из памяти

Ограничения:

Нельзя напрямую копировать из памяти в память: mov [dst], [src] — недопустимо.
Нельзя загружать непосредственное значение в сегментный регистр (например, mov ds, 0x10 — запрещено в защищённом режиме).

`LEA` — загрузка эффективного адреса

LEA вычисляет адрес, но не обращается к памяти. Это мощный инструмент для арифметики указателей.

lea rax, [rbx + rcx*4 + 16]

Эта команда помещает в RAX значение RBX + RCX*4 + 16, не читая содержимое по этому адресу. Часто используется для быстрого умножения и сложения.

`XCHG` — обмен значениями

xchg eax, ebx   ; обмен содержимым EAX и EBX

Атомарная операция, полезна в многопоточной среде.

Арифметические операции

Все арифметические инструкции обновляют флаги в RFLAGS.

`ADD` — сложение

add eax, ebx    ; EAX = EAX + EBX
add [counter], 1

`SUB` — вычитание

sub eax, 5      ; EAX = EAX - 5

`INC` / `DEC` — инкремент и декремент

inc eax         ; EAX = EAX + 1
dec ebx         ; EBX = EBX - 1

Эти инструкции короче по размеру, но не обновляют флаг переноса (CF). В современном коде часто предпочитают add reg, 1 ради единообразия.

`MUL` / `IMUL` — умножение

MUL — беззнаковое умножение
IMUL — знаковое умножение

Однооперандная форма:

mul rbx   ; RDX:RAX = RAX * RBX

Двухоперандная форма (результат в первом операнде):

imul eax, ebx      ; EAX = EAX * EBX
imul eax, ebx, 5   ; EAX = EBX * 5

`DIV` / `IDIV` — деление

DIV — беззнаковое
IDIV — знаковое

Деление использует пару регистров RDX:RAX как делимое:

mov rax, 100
xor rdx, rdx    ; обнулить RDX (остаток)
mov rbx, 7
div rbx         ; RAX = 100 / 7, RDX = 100 % 7

Логические и побитовые операции

`AND`, `OR`, `XOR`, `NOT`

and eax, 0xFF     ; маскирование младшего байта
or  ebx, 1        ; установка младшего бита
xor ecx, ecx      ; обнуление регистра (быстрее, чем mov ecx, 0)
not edx           ; побитовая инверсия

XOR с самим собой — идиома обнуления регистра.

`TEST` — проверка битов без изменения значения

test eax, eax     ; устанавливает ZF, если EAX == 0
jz  zero_label

Часто используется вместо cmp eax, 0.

`CMP` — сравнение

cmp eax, ebx      ; вычитает EBX из EAX, обновляет флаги, но не сохраняет результат
je  equal_label

Управление потоком выполнения

Безусловный переход — `JMP`

jmp start_loop

Может быть:

прямым — jmp label
косвенным — jmp rax (переход по адресу в регистре)

Условные переходы

Условные переходы проверяют флаги и выполняют переход, если условие истинно.

Инструкция	Условие	Описание
`JE` / `JZ`	ZF = 1	равно / ноль
`JNE` / `JNZ`	ZF = 0	не равно / не ноль
`JL` / `JNGE`	SF ≠ OF	меньше (знаковое)
`JLE` / `JNG`	ZF = 1 или SF ≠ OF	меньше или равно
`JG` / `JNLE`	ZF = 0 и SF = OF (знаковое "больше")	больше
`JGE` / `JNL`	SF = OF	больше или равно
`JB` / `JNAE`	CF = 1	ниже (беззнаковое)
`JBE` / `JNA`	CF = 1 или ZF = 1	ниже или равно
`JA` / `JNBE`	CF = 0 и ZF = 0	выше
`JAE` / `JNB`	CF = 0	выше или равно
`JS`	SF = 1	отрицательный
`JNS`	SF = 0	неотрицательный
`JO`	OF = 1	переполнение
`JNO`	OF = 0	нет переполнения
`JP` / `JPE`	PF = 1	чётный паритет
`JNP` / `JPO`	PF = 0	нечётный паритет

Циклы

Инструкция LOOP (устаревшая, но иногда используется):

mov rcx, 10
loop_start:
    ; тело цикла
    loop loop_start   ; уменьшает RCX, переходит, если RCX ≠ 0

Современный подход — использовать dec + jnz:

mov rcx, 10
loop_start:
    ; тело
    dec rcx
    jnz loop_start

Вызов подпрограмм

`CALL` — вызов функции

call my_function

Выполняет два действия:

Помещает адрес следующей инструкции в стек (push rip)
Загружает в RIP адрес my_function

`RET` — возврат из функции

ret

Извлекает адрес из стека и присваивает его RIP.

Работа со стеком

`PUSH` — положить в стек

push rax
push 42
push qword [var]

Уменьшает RSP на 8 (в 64-битном режиме) и записывает значение.

`POP` — извлечь из стека

pop rbx

Читает значение из стека и увеличивает RSP.

Специальные инструкции

`NOP` — пустая операция

Занимает один такт, ничего не делает. Используется для выравнивания, отладки, задержек.

`HLT` — остановка процессора

Останавливает CPU до следующего прерывания. Используется в ядрах ОС.

`INT` — программное прерывание

В 64-битном режиме почти не используется. Раньше применялось для системных вызовов (int 0x80 в 32-битном Linux).

`SYSCALL` — современный системный вызов

Как описано ранее, основной способ вызова ядра в x86-64.

Префиксы инструкций

Некоторые инструкции могут иметь префиксы, изменяющие их поведение:

LOCK — обеспечивает атомарность (lock inc [var])
REP — повторяет строковую операцию (rep movsb)
REPE / REPZ — повторяет, пока ZF = 1
REPNE / REPNZ — повторяет, пока ZF = 0

Пример копирования блока памяти:

mov rsi, src
mov rdi, dst
mov rcx, count
cld                ; направление вперёд
rep movsb          ; копировать RCX байт из [RSI] в [RDI]

Работа с памятью и данными

Эффективная работа с памятью — ключевая компетенция программиста на ассемблере. В отличие от высокоуровневых языков, где управление памятью скрыто за абстракциями, ассемблер предоставляет прямой доступ к байтам, словам и структурам. Эта часть описывает, как организовывать и манипулировать данными — массивы, строки, структуры, выравнивание и динамическое распределение.

Организация данных в памяти

Данные в ассемблере определяются в секциях .data (инициализированные) и .bss (неинициализированные). Каждое определение создаёт символ, который можно использовать как адрес.

Базовые директивы определения данных

Директива	Размер	Описание
`db`	1 байт	Define Byte
`dw`	2 байта	Define Word
`dd`	4 байта	Define Doubleword
`dq`	8 байт	Define Quadword
`dt`	10 байт	Define Ten-byte (для расширенных вещественных чисел, редко используется)

Примеры:

section .data
    byte_val   db  42
    word_val   dw  1000
    dword_val  dd  0x12345678
    qword_val  dq  9223372036854775807
    pi         dd  3.141592      ; вещественное число (IEEE 754)

Массивы

Массив — это последовательность элементов одного типа, расположенных подряд в памяти.

Однобайтовый массив:

digits db 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Массив слов:

scores dw 100, 200, 300, 400

Массив из 100 нулей:

buffer times 100 db 0

В NASM для повторения используют times N db значение (в MASM/TASM аналог — dup).

Строки

Строка в ассемблере — это массив байтов, завершённый нулём (C-стиль) или имеющий известную длину.

Примеры строк:

msg1 db 'Hello', 0                 ; C-строка (с нулевым терминатором)
msg2 db 'World!', 10               ; строка с символом новой строки
msg3 db "Quoted text", 0           ; допустимы двойные кавычки

Длина строки часто вычисляется с помощью метки:

hello db 'Hello, world!', 0xA, 0
hello_len equ $ - hello            ; $ — текущая позиция, вычитаем начало

Значение hello_len будет равно 14 (13 символов + \n).

Доступ к элементам массива

Операции (массив в .data — фиксированный размер; индекс с нуля):

Действие	Синтаксис (x86, NASM)
Прочитать байт	`mov al, [base + index]`
Записать байт	`mov [base + index], al`
Слово (2 байта)	`[base + index*2]`
Двойное слово (4)	`[base + index*4]`
Объявить N элементов	`buffer times N db 0`

"Добавить в конец" в рантайме — отдельный буфер + счётчик длины и смещение index * размер; стандартной коллекции в языке нет.

Доступ к элементу массива осуществляется через адресацию с масштабированием.

Однобайтовый массив

mov al, [digits + 3]     ; AL = 3

Массив слов (2 байта)

mov ax, [scores + 2*1]   ; второй элемент (индекс 1): 200

Массив двойных слов (4 байта)

mov eax, [array_dd + 4*2] ; третий элемент

Общая формула:
адрес = база + индекс * размер_элемента

В x86-64 можно использовать гибкую адресацию:

mov eax, [rbx + rsi*4]   ; RBX — база, RSI — индекс, 4 — размер элемента

Структуры данных

Ассемблер не имеет встроенного типа "структура", но можно моделировать её через смещения.

Пример: структура точки на плоскости

struc Point
    .x resd 1    ; 4 байта для x
    .y resd 1    ; 4 байта для y
endstruc

Использование:

section .data
    origin Point 0, 0
    p1     Point 10, 20

section .text
    mov eax, [p1 + Point.x]   ; EAX = 10
    mov ebx, [p1 + Point.y]   ; EBX = 20

Если ассемблер не поддерживает struc (например, в GAS), смещения определяются вручную:

POINT_X equ 0
POINT_Y equ 4

mov eax, [p1 + POINT_X]

Выравнивание данных

Процессор эффективнее читает данные, выровненные по границам, кратным их размеру:

2-байтовые — по чётным адресам
4-байтовые — по адресам, кратным 4
8-байтовые — по адресам, кратным 8

NASM предоставляет директиву align:

section .data
    align 8
    counter dq 0

Выравнивание особенно важно для SIMD-инструкций (SSE, AVX), требующих 16- или 32-байтное выравнивание.

Работа со строками

Подробный разбор REP, направления CLD/STD и таблиц поиска — в строковых инструкциях. Краткая таблица мнемоник:

Строковые операции ускоряются специальными инструкциями:

Инструкция	Действие
`MOVSB`	копирует байт из `[RSI]` в `[RDI]`, увеличивает/уменьшает RSI/RDI
`MOVSW`	копирует слово
`MOVSD`	копирует двойное слово
`MOVSQ`	копирует четверное слово (8 байт)
`STOSB`	записывает `AL` в `[RDI]`
`LODSB`	загружает байт из `[RSI]` в `AL`
`CMPSB`	сравнивает байты в `[RSI]` и `[RDI]`
`SCASB`	сравнивает `AL` с `[RDI]`

Направление изменения указателей задаётся флагом DF:

CLD — очистка DF, направление вперёд (RSI++, RDI++)
STD — установка DF, направление назад (RSI--, RDI--)

Пример: поиск символа в строке

mov rdi, msg
mov al, '!'
mov rcx, msg_len
cld
repne scasb          ; ищет '!' в строке
jnz not_found        ; если ZF=0 — не найдено
; RDI указывает на символ после '!'

Динамическое выделение памяти

В пользовательском режиме под Linux динамическая память запрашивается через системный вызов mmap или через библиотечную функцию malloc.

Пример с malloc (через libc):

Код ITЗагрузка примера кода…

Чистый системный вызов mmap:

; mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0)
mov rax, 9          ; sys_mmap
mov rdi, 0          ; addr
mov rsi, 4096       ; length
mov rdx, 3          ; prot: read|write
mov r10, 0x22       ; flags: MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS
mov r8, -1          ; fd
mov r9, 0           ; offset
syscall
; RAX = адрес или -1 при ошибке

Управление памятью в стеке

Локальные переменные часто размещаются в стеке:

sub rsp, 16         ; выделить 16 байт под локальные данные
mov [rsp], rax      ; сохранить RAX
mov [rsp + 8], rbx  ; сохранить RBX

; ... работа ...

add rsp, 16         ; освободить

Это безопасно, так как стек автоматически "растёт" вниз, и ОС гарантирует наличие страницы-сторожа.

Константы и псевдонимы

Константы определяются через equ:

MAX_SIZE equ 1000
FLAG_ON  equ 1
FLAG_OFF equ 0

Они заменяются на этапе сборки и не занимают места в памяти.

Функции, рекурсия и организация стекового фрейма

Функции (подпрограммы) — основной способ структурирования кода даже в ассемблере. Они позволяют повторно использовать логику, изолировать задачи и управлять сложностью программы. В отличие от высокоуровневых языков, где вызов функции выглядит как простая конструкция, в ассемблере программист полностью отвечает за передачу аргументов, сохранение контекста, управление стеком и возврат результата.

Основы вызова функции

Вызов функции в x86-64 выполняется с помощью инструкции call, которая автоматически помещает адрес возврата в стек и передаёт управление на метку функции. Завершение функции происходит через ret, которая извлекает адрес возврата из стека и продолжает выполнение.

Пример простой функции:

Код ITЗагрузка примера кода…

Эта функция вычисляет факториал числа, переданного в RDI, и возвращает результат в RAX.

Стековый фрейм (stack frame)

Стековый фрейм — это область стека, выделенная под одну активацию функции. Он содержит:

адрес возврата
сохранённые регистры
локальные переменные
аргументы (если передаются через стек)

В x86-64 принято использовать RBP как указатель базы фрейма (frame pointer), хотя современные компиляторы часто его опускают для оптимизации.

Типичный пролог и эпилог функции

Пролог (начало функции):

push rbp        ; сохраняем старый RBP
mov rbp, rsp    ; устанавливаем новый RBP = текущий RSP
sub rsp, 32     ; выделяем 32 байта под локальные переменные

Эпилог (конец функции):

mov rsp, rbp    ; восстанавливаем RSP
pop rbp         ; восстанавливаем старый RBP
ret

После установки RBP, смещения относительно него имеют фиксированный смысл:

[rbp + 8] — адрес возврата
[rbp + 16] — первый аргумент, переданный через стек
[rbp] — предыдущий RBP
[rbp - 8], [rbp - 16] — локальные переменные

Пример с фреймом:

Код ITЗагрузка примера кода…

Передача аргументов

Согласно System V AMD64 ABI, первые шесть целочисленных аргументов передаются в регистрах:

RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9

Если аргументов больше шести, остальные размещаются в стеке справа налево (последний аргумент — ближе к вершине стека).

Пример функции с семью аргументами:

; C-прототип: int func(a, b, c, d, e, f, g)
; a → RDI, b → RSI, ..., f → R9, g → [RSP + 8]
func:
    ; g доступен как [rbp + 16], если используется RBP
    mov rax, [rsp + 8]   ; или напрямую через RSP
    add rax, rdi
    ret

Возвращаемые значения

Целые числа и указатели возвращаются в RAX
128-битные значения — в RDX:RAX
Вещественные числа — в XMM0

Сохранение регистров (callee-saved и caller-saved)

ABI определяет, какие регистры обязан сохранять вызываемая функция (callee-saved), а какие — вызывающая (caller-saved).

Callee-saved (функция обязана сохранить и восстановить):

RBX, RBP, R12–R15

Caller-saved (вызывающая сторона не ожидает их сохранения):

RAX, RCX, RDX, RSI, RDI, R8–R11

Если функция использует RBX, она должна сохранить его в начале и восстановить перед ret:

my_func:
    push rbx
    ; ... используем RBX ...
    pop rbx
    ret

Рекурсия

Рекурсия в ассемблере работает так же, как и в других языках: функция вызывает саму себя. Каждый вызов создаёт новый стековый фрейм, что позволяет хранить независимые копии аргументов и локальных переменных.

Условие завершения (базовый случай) обязательно, иначе стек переполнится (stack overflow).

Пример: вычисление суммы чисел от 1 до n

sum_to_n:
    cmp rdi, 0
    je .base
    push rdi
    dec rdi
    call sum_to_n
    pop rbx
    add rax, rbx
    ret
.base:
    xor rax, rax
    ret

Хвостовая рекурсия и оптимизация

Хвостовая рекурсия — это вызов функции в самом конце, без дополнительных операций после возврата. Такой вызов можно заменить на цикл, избегая роста стека.

Пример хвостовой рекурсии:

; sum_tail(n, acc)
sum_tail:
    cmp rdi, 0
    je .done
    add rsi, rdi     ; acc += n
    dec rdi          ; n--
    jmp sum_tail     ; хвостовой вызов → заменён на JMP
.done:
    mov rax, rsi
    ret

Здесь jmp вместо call предотвращает накопление фреймов.

Локальные массивы и структуры

Большие локальные данные также размещаются в стеке:

process_data:
    push rbp
    mov rbp, rsp
    sub rsp, 256     ; 256 байт под буфер

    lea rax, [rbp - 256]   ; RAX = адрес начала буфера
    mov [rax], byte 0

    ; ... обработка ...

    mov rsp, rbp
    pop rbp
    ret

Важно: стек ограничен (обычно 8 МБ в Linux), поэтому очень большие массивы следует выделять динамически.

Обработка ошибок и возврат статусов

Функции могут возвращать коды ошибок через RAX. Например, -1 означает ошибку, 0 — успех.

safe_divide:
    test rsi, rsi      ; делитель = 0?
    jz .error
    mov rax, rdi
    xor rdx, rdx
    div rsi
    ret
.error:
    mov rax, -1
    ret

Взаимодействие с C

Ассемблерные функции можно вызывать из C, если соблюдать ABI.

Пример объявления в C:

extern long my_asm_func(long a, long b);

Ассемблерная реализация:

global my_asm_func
my_asm_func:
    add rdi, rsi
    mov rax, rdi
    ret

Сборка:

nasm -f elf64 func.asm -o func.o
gcc main.c func.o -o program

Взаимодействие с операционной системой

Чтобы читать файлы, выводить текст, получать ввод от пользователя или завершать выполнение, программа на ассемблере взаимодействует с операционной системой. В Unix-подобных системах (Linux, macOS) это происходит через системные вызовы — специальные точки входа в ядро. В Windows используется другая модель (WinAPI), но в рамках данного справочника фокус сделан на Linux x86-64, как наиболее доступной и документированной среде для обучения.

Механизм системных вызовов в x86-64

В 64-битном режиме Linux системные вызовы выполняются через инструкцию syscall. Процессор переключается в привилегированный режим, управление передаётся ядру, которое выполняет запрошенную операцию и возвращает результат.

Регистры для системных вызовов (System V ABI)

Регистр	Назначение
`RAX`	номер системного вызова
`RDI`	1-й аргумент
`RSI`	2-й аргумент
`RDX`	3-й аргумент
`R10`	4-й аргумент
`R8`	5-й аргумент
`R9`	6-й аргумент

Важно — четвёртый аргумент передаётся в R10, а не в RCX, потому что syscall разрушает значение RCX.

Результат возвращается в RAX:

неотрицательное значение — успешный результат
отрицательное значение — код ошибки (-errno)

Основные системные вызовы

1. `sys_write` — запись данных

Номер: 1
Сигнатура — ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)

Пример: вывод строки в стандартный вывод

section .data
    msg db 'Hello from assembly!', 0xA
    msg_len equ $ - msg

section .text
    global _start

_start:
    mov rax, 1          ; sys_write
    mov rdi, 1          ; stdout
    mov rsi, msg        ; адрес буфера
    mov rdx, msg_len    ; количество байт
    syscall

2. `sys_read` — чтение данных

Номер: 0
Сигнатура — ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)

Пример: чтение одной строки с клавиатуры

section .bss
    input resb 256

section .text
    ; ...
    mov rax, 0          ; sys_read
    mov rdi, 0          ; stdin
    mov rsi, input      ; буфер
    mov rdx, 256        ; максимум байт
    syscall
    ; RAX = количество прочитанных байт

3. `sys_exit` — завершение программы

Номер: 60
Сигнатура: void _exit(int status)

mov rax, 60
mov rdi, 0      ; код возврата
syscall

4. `sys_open` — открытие файла

Номер: 2
Сигнатура — int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode)

Флаги (часто используемые):

O_RDONLY = 0
O_WRONLY = 1
O_RDWR = 2
O_CREAT = 0x40
O_TRUNC = 0x200

Режим (если создаётся файл): 0o644 (восьмеричное) → 0x1A4

Пример: открытие файла для чтения

section .data
    filename db 'data.txt', 0

section .text
    mov rax, 2              ; sys_open
    mov rdi, filename       ; путь
    mov rsi, 0              ; O_RDONLY
    mov rdx, 0              ; режим не нужен при чтении
    syscall
    ; RAX = дескриптор файла или -1 при ошибке

5. `sys_close` — закрытие файла

Номер: 3
Сигнатура: int close(int fd)

mov rax, 3
mov rdi, r12    ; предположим, дескриптор в R12
syscall

6. `sys_lseek` — перемещение указателя в файле

Номер: 8
Сигнатура — off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence)

whence:

SEEK_SET = 0 (от начала)
SEEK_CUR = 1 (от текущей позиции)
SEEK_END = 2 (от конца)

Пример: перейти в конец файла

mov rax, 8
mov rdi, fd
mov rsi, 0
mov rdx, 2      ; SEEK_END
syscall

7. `sys_mmap` — отображение файла в память

Номер: 9
Позволяет отобразить файл или выделить анонимную память.

Пример: выделение 4 КБ анонимной памяти

mov rax, 9
mov rdi, 0                  ; addr (NULL)
mov rsi, 4096               ; length
mov rdx, 3                  ; PROT_READ | PROT_WRITE
mov r10, 0x22               ; MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS
mov r8, -1                  ; fd = -1
mov r9, 0                   ; offset
syscall
; RAX = адрес или -1

Обработка ошибок

После системного вызова проверяйте знак результата:

syscall
cmp rax, 0
jl .error_handler

Код ошибки можно получить как -rax и использовать для диагностики (например, -2 = ENOENT — файл не найден).

Работа с несколькими файлами

Пример: копирование содержимого одного файла в другой

Код ITЗагрузка примера кода…

Сигналы

Ассемблер позволяет устанавливать обработчики сигналов через sys_rt_sigaction (номер 13), но это сложная тема. В простых программах сигналы обычно игнорируются или обрабатываются по умолчанию (например, SIGINT завершает программу).

Процессы и потоки

sys_fork (57) — создаёт новый процесс
sys_execve (59) — заменяет текущий образ памяти новой программой
sys_clone (56) — создаёт поток (низкоуровневый аналог pthread_create)

Пример запуска другой программы:

section .data
    prog db '/bin/ls', 0
    argv dq prog, 0
    envp dq 0

section .text
    mov rax, 59         ; sys_execve
    mov rdi, prog
    mov rsi, argv
    mov rdx, envp
    syscall
    ; Если execve вернулся — произошла ошибка

Время и задержки

sys_nanosleep (35) — приостанавливает выполнение

section .data
    ts dq 1, 500000000   ; 1 секунда + 500 млн наносекунд = 1.5 сек

section .text
    mov rax, 35
    mov rdi, ts
    mov rsi, 0
    syscall

Использование libc вместо прямых системных вызовов

Для сложных задач (например, форматированный вывод) удобнее вызывать функции из стандартной библиотеки C (printf, fopen, malloc и т.д.).

Пример с printf:

Код ITЗагрузка примера кода…

Сборка:

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

Преимущества libc:

удобство (printf, scanf)
портируемость
обработка ошибок
работа с локалью

Недостатки:

зависимость от библиотеки
больший размер исполняемого файла
менее прямой контроль

Отладка, анализ и инструменты

Написание программ на ассемблере требует тесного взаимодействия с инструментами сборки, анализа и отладки. В отличие от высокоуровневых языков, где ошибки часто ловятся на этапе компиляции или через исключения, в ассемблере даже небольшая ошибка в адресации или управлении стеком может привести к молчаливому повреждению памяти или аварийному завершению. Поэтому знание инструментов — необходимость.

Основной инструментарий для x86-64 (Linux)

Инструмент	Назначение
NASM	Ассемблер (Netwide Ассемблер) — преобразует `.asm` в объектные файлы
GAS	Ассемблер из GNU Binutils, использует AT&T-синтаксис
LD	Компоновщик (linker) — объединяет объектные файлы в исполняемый
GCC	Может выступать как компоновщик, автоматически подключая libc
GDB	Отладчик — позволяет шагать по инструкциям, проверять регистры и память
objdump	Дизассемблер — показывает машинный код и символы
strace	Трассировщик системных вызовов
ltrace	Трассировщик вызовов библиотечных функций
readelf	Анализ ELF-файлов (заголовки, секции, символы)

Сборка программы без libc (чистый системный вызов)

Файл hello.asm:

Код ITЗагрузка примера кода…

Сборка:

nasm -f elf64 hello.asm -o hello.o
ld hello.o -o hello

Получаем минимальный исполняемый файл (~300–500 байт).

Сборка с использованием libc

Файл hello_libc.asm:

Код ITЗагрузка примера кода…

Сборка:

nasm -f elf64 hello_libc.asm -o hello_libc.o
gcc hello_libc.o -o hello_libc

Здесь gcc автоматически вызывает ld, подключает libc, crt0.o и другие необходимые компоненты.

Отладка с помощью GDB

GDB — мощный отладчик, поддерживающий низкоуровневую работу.

Запуск отладки

gdb ./hello

Основные команды

Команда	Действие
`layout asm`	Показать ассемблерный код в реальном времени
`break _start`	Установить точку останова
`run`	Запустить программу
`stepi` (`si`)	Выполнить одну инструкцию
`nexti` (`ni`)	Выполнить инструкцию, не заходя в вызовы
`info registers` (`i r`)	Показать все регистры
`print/x $rax`	Показать RAX в шестнадцатеричном виде
`x/10xb $rsp`	Показать 10 байт памяти по адресу RSP
`disassemble`	Дизассемблировать текущую функцию
`quit`	Выйти

Пример сессии

(gdb) break _start
(gdb) run
(gdb) layout asm
(gdb) stepi
(gdb) i r rax rdi rsi rdx
(gdb) x/s $rsi   ; показать строку по адресу RSI

GDB особенно полезен при отладке переполнения стека, неправильной адресации или ошибок системных вызовов.

Анализ исполняемого файла — objdump и readelf

objdump — дизассемблирование

objdump -d hello

Выводит машинный код и соответствующие ассемблерные инструкции:

0000000000401000 <_start>:
  401000:   48 c7 c0 01 00 00 00    mov    $0x1,%rax
  401007:   48 c7 c7 01 00 00 00    mov    $0x1,%rdi
  ...

Опции:

-d — дизассемблировать исполняемые секции
-t — показать таблицу символов
-s — показать содержимое секций в hex

readelf — анализ структуры ELF

readelf -h hello    # заголовок ELF
readelf -S hello    # секции
readelf -s hello    # символы

Позволяет убедиться, что секции .text, .data присутствуют, точки входа корректны.

Трассировка выполнения — strace и ltrace

strace — отслеживание системных вызовов

strace ./hello

Вывод:

write(1, "Hello, world!\n", 14)         = 14
exit(0)                                 = ?
+++ exited with 0 +++

Полезно для:

проверки, какие файлы открываются
диагностики ошибок (-1 ENOENT)
понимания поведения программы без исходного кода

ltrace — отслеживание вызовов libc

ltrace ./hello_libc

Вывод:

printf("Hello from libc!\n")            = 18
exit(0)                                 = ?

Используется, когда программа активно применяет стандартную библиотеку.

Поиск ошибок — типичные проблемы и решения

1. Segmentation fault (ошибка сегментации)

Причины:

обращение по недопустимому адресу (mov eax, [0])
запись в .text-секцию
порча стека (pop без push, непарный ret)

Решение:

запустить под gdb, выполнить до падения, проверить регистры и стек
использовать strace, чтобы увидеть последний системный вызов

2. Программа завершается, но ничего не выводит

Проверьте:

правильно ли задана длина строки (не забыт ли \n или терминатор)
используется ли stdout (fd=1), а не stderr (fd=2)
не перепутаны RDX и RSI в sys_write

3. Стек не выровнен (ошибка при вызове libc)

При вызове функций из libc стек должен быть выровнен по 16-байтной границе перед call.

Если в main вы делаете push rbp, стек смещается на 8 байт. Чтобы выровнять:

main:
    push rbp
    mov rbp, rsp
    sub rsp, 8      ; теперь RSP % 16 == 0
    ; ... вызовы printf ...
    add rsp, 8
    pop rbp
    ret

Или используйте чётное количество push.

4. Неправильный номер системного вызова

Номера отличаются между архитектурами. Для x86-64 Linux актуальные номера можно найти в:

/usr/include/asm/unistd_64.h
онлайн-справочниках (например, syscalls.kernelgrok.com)

Автоматизация — Makefile

Для проектов с несколькими файлами удобно использовать Makefile:

Код ITЗагрузка примера кода…

Команда make соберёт обе версии программы.

Практические примеры

Теория становится полезной, когда применяется на практике. В этой заключительной части представлены законченные, рабочие примеры программ на ассемблере для x86-64 Linux. Каждый пример демонстрирует ключевые концепции — управление памятью, арифметика, рекурсия, работа с файлами, обработка ввода и оптимизация. Все программы написаны в синтаксисе NASM и могут быть собраны стандартными инструментами.

Пример 1 — Рекурсивный факториал (чистый системный вызов)

Эта программа вычисляет факториал числа, переданного как аргумент командной строки (упрощённо — фиксированное значение), и выводит результат в виде десятичного числа.

Код ITЗагрузка примера кода…

Особенности:

Ручная конвертация числа в строку (itoa)
Рекурсивный вызов с сохранением контекста
Чистый вывод через sys_write

Пример 2 — Обход массива и поиск максимума

Программа ищет максимальное значение в статическом массиве и выводит его.

Код ITЗагрузка примера кода…

Особенности:

Использование loop для итерации
Сравнение знаковых чисел
Модульный вывод через подпрограмму

Пример 3 — Чтение файла и подсчёт байтов

Программа открывает файл, читает его по блокам и выводит общий размер.

Код ITЗагрузка примера кода…

Особенности:

Работа с файловыми дескрипторами
Циклическое чтение большого файла
Обработка ошибок открытия

Пример 4 — Оптимизированный цикл — сумма массива

Сравним два подхода: через loop и через dec/jnz.

Код ITЗагрузка примера кода…

На современных процессорах loop не оптимизирован так же хорошо, как dec/jnz, поэтому второй вариант предпочтителен.

Пример 5 — Использование SIMD (SSE) для ускорения

Теория IEEE 754, movss/addps, AVX и x87 — в статье про float и SIMD. Сложение массива с использованием 128-битных регистров:

Код ITЗагрузка примера кода…

Требования:

Данные выровнены по 16 байтам
Поддержка SSE у процессора

В подборках

Статья входит в тематические подборки и блок "С чего начать?" на главной. Соседние шаги того же маршрута:

Справочники — Справочник по visual-basic, Справочник по языку С, Справочник по Pascal, Справочник по нотации BPMN 2.0, Справочник по Lisp, Справочник по Terraform.

Навигация по уровню подготовки​

Справочные таблицы​

Содержание справочника​

Архитектурные основы и контекст​

Что такое язык ассемблера​

Целевые архитектуры​

Регистры процессора​

Основные регистры общего назначения (в x86-64)​

Дополнительные регистры (R8–R15)​

Сегментные регистры​

Регистр флагов (RFLAGS)​

Модели памяти и адресация​

Способы адресации операндов​

Стек​

Вызов функций и соглашения о вызовах​

System V AMD64 ABI (Linux/macOS)​

Пример вызова функции​

Секции программы​

Директивы ассемблера​

Системные вызовы (Linux)​

Инструкции процессора​

Передача данных​

MOV — копирование данных​

LEA — загрузка эффективного адреса​

XCHG — обмен значениями​

Арифметические операции​

ADD — сложение​

SUB — вычитание​

INC / DEC — инкремент и декремент​

MUL / IMUL — умножение​

DIV / IDIV — деление​

Логические и побитовые операции​

AND, OR, XOR, NOT​

TEST — проверка битов без изменения значения​

CMP — сравнение​

Управление потоком выполнения​

Безусловный переход — JMP​

Условные переходы​

Циклы​

Вызов подпрограмм​

CALL — вызов функции​

RET — возврат из функции​

Работа со стеком​

PUSH — положить в стек​

POP — извлечь из стека​

Специальные инструкции​

NOP — пустая операция​

HLT — остановка процессора​

INT — программное прерывание​

SYSCALL — современный системный вызов​

Префиксы инструкций​

Работа с памятью и данными​

Организация данных в памяти​

Базовые директивы определения данных​

Массивы​

Строки​

Доступ к элементам массива​

Однобайтовый массив​

Массив слов (2 байта)​

Массив двойных слов (4 байта)​

Структуры данных​

Выравнивание данных​

Работа со строками​

Динамическое выделение памяти​

Управление памятью в стеке​

Константы и псевдонимы​

Функции, рекурсия и организация стекового фрейма​

Основы вызова функции​

Стековый фрейм (stack frame)​

Типичный пролог и эпилог функции​

Передача аргументов​

Возвращаемые значения​

Сохранение регистров (callee-saved и caller-saved)​

Рекурсия​

Хвостовая рекурсия и оптимизация​

Локальные массивы и структуры​

Обработка ошибок и возврат статусов​

Взаимодействие с C​

Взаимодействие с операционной системой​

Механизм системных вызовов в x86-64​

Навигация по уровню подготовки

Справочные таблицы

Содержание справочника

Архитектурные основы и контекст

Что такое язык ассемблера

Целевые архитектуры

Регистры процессора

Основные регистры общего назначения (в x86-64)

Дополнительные регистры (R8–R15)

Сегментные регистры

Регистр флагов (`RFLAGS`)

Модели памяти и адресация

Способы адресации операндов

Стек

Вызов функций и соглашения о вызовах

System V AMD64 ABI (Linux/macOS)

Пример вызова функции

Секции программы

Директивы ассемблера

Системные вызовы (Linux)

Инструкции процессора

Передача данных

`MOV` — копирование данных

`LEA` — загрузка эффективного адреса

`XCHG` — обмен значениями

Арифметические операции

`ADD` — сложение

`SUB` — вычитание

`INC` / `DEC` — инкремент и декремент

`MUL` / `IMUL` — умножение

`DIV` / `IDIV` — деление

Логические и побитовые операции

`AND`, `OR`, `XOR`, `NOT`

`TEST` — проверка битов без изменения значения

`CMP` — сравнение

Управление потоком выполнения

Безусловный переход — `JMP`

Условные переходы

Циклы

Вызов подпрограмм

`CALL` — вызов функции

`RET` — возврат из функции

Работа со стеком

`PUSH` — положить в стек

`POP` — извлечь из стека

Специальные инструкции

`NOP` — пустая операция

`HLT` — остановка процессора

`INT` — программное прерывание

`SYSCALL` — современный системный вызов

Префиксы инструкций

Работа с памятью и данными

Организация данных в памяти

Базовые директивы определения данных

Массивы

Строки

Доступ к элементам массива

Однобайтовый массив

Массив слов (2 байта)

Массив двойных слов (4 байта)

Структуры данных

Выравнивание данных

Работа со строками

Динамическое выделение памяти

Управление памятью в стеке

Константы и псевдонимы

Функции, рекурсия и организация стекового фрейма

Основы вызова функции

Стековый фрейм (stack frame)

Типичный пролог и эпилог функции

Передача аргументов

Возвращаемые значения

Сохранение регистров (callee-saved и caller-saved)

Рекурсия

Хвостовая рекурсия и оптимизация

Локальные массивы и структуры

Обработка ошибок и возврат статусов

Взаимодействие с C

Взаимодействие с операционной системой

Механизм системных вызовов в x86-64