Макросы для компиляции команд — Архив WASM.RU
За последние несколько лет сменилось три поколения микропроцессоров семейства Pentium. У процессоров каждого поколения и у разных моделей одного поколения появлялось достаточно много новых инструкций. Например, по сравнению с Pentium III, у Pentium 4 прибавилось сразу 144 инструкции!
Компания Intel заблаговременно информирует разработчиков программного обеспечения о своих планах, поэтому Microsoft достаточно оперативно реагирует на технические нововведения и выпускает новые версии компиляторов. Если по каким-то причинам последняя версия MASM вам недоступна, то возможности устаревших версий можно расширить с помощью макроопределений новых команд.
Такие макроопределения преобразуют исходную мнемоническую запись команды на языке ассемблера в объектный код. При этом они выполняют синтаксический разбор записи команды, сложность которого зависит от используемых способов адресации операндов. Мы начнем с рассмотрения простых случаев, а затем перейдем к сложным.
Команда без операндов. Во многих руководствах встречается макроопределение для компиляции инструкции CPUID, которую выполняют все модели микропроцессоров семейства Pentium. Ее могут компилировать только версии MASM, исполняющие директиву .586, в противном случае используется макрос, приведенный в примере 8.
Пример 8. Компиляция инструкции cpuid
Код (Text):
Макровызовом этого определения является запись в исходном тексте программы инструкции cpuid, вместо нее в текст программы будет включена директива db 0Fh, 0A2h.
Инструкция имеет операнды. Подходящих для наших целей одноадресных команд нет, поэтому выберем такую группу двухадресных команд, операнды которых адресуются наиболее просто.
У микропроцессора Pentium Pro появились две группы команд условной пересылки CMOVcc и FCMOVcc. Первая группа относится к категории команд общего назначения. Инструкции второй группы исполняет процессор FPU, они применяются при программировании вычислений с плавающей точкой. В записи конкретной команды вместо маленьких букв cc подставляется мнемоническое обозначение условия, например, CMOVNE или FCMOVB.
Компилировать инструкции этих групп могут только версии MASM, начиная с 6.12 (исполняющие директиву .686), в противном случае надо применять специальные макроопределения. Мы опишем макроопределения для компиляции инструкций группы FCMOVcc. Операнды инструкций этой группы могут находиться только в числовых регистрах, что упрощает анализ и преобразование их имен.
В состав группы входят инструкции, имеющие идентичную структуру кода и компилирующиеся по одной схеме. Это позволяет вместо индивидуальных макроопределений для каждой инструкции использовать специальное мета-макро определение. В отличие от обычного, оно порождает при вызовах макроопределения для компиляции конкретных инструкций, имена которых указываются в специальных списках. Поэтому вместо составления группы идентичных макроопределений составляется список допустимых вариантов вызова мета-макроса, содержащий столько строк, сколько инструкций входит в состав группы.
В примере 9 приведены текст мета-макро определения FPIDEFи список его вызовов, содержащий имена восьми инструкций группы FCMOVcc с соответствующими им кодами операций. При вызове FPIDEF формируется и исполняется одно из 8-ми обычных макроопределений, имена которых совпадают с именем компилируемой инструкции, а параметрами являются ее (инструкции) операнды.
Пример 9. Мета-макро определения инструкций FCMOVcc
Код (Text):
Предположим, что в тексте программы встретилась команда fcmove st, st(4). MASM ищет любые имена в своих списках зарезервированных символов и в таблицах имен, описанных в компилируемой программе. Обнаружив имя fcmove в списке, приведенном в конце текста примера 9, он формирует макровызов "fpidef fcmove, 0DAh, 0C8h". Макрос fpidef, в свою очередь, вместо OPNAME формирует и исполняет макроопределение "fcmove st, st(4)", которое компилирует команду и вставляет в текст программы директиву db 0DAh, 0CCh.
Макроопределение OPNAME проверяет имена операндов, формирует код второго операнда в переменной reg и включает в текст программы указанную выше директиву db, описывающую код команды.
Имя первого операнда проверяется сравнением с его допустимыми образцами st или st(0). Для того чтобы результат не зависел от регистра, на котором набраны буквы имени (st, ST, sT, St), сравнение выполняет директива IFDIFI (если различаются). Буква I в конце ее имени указывает на то, что перед сравнением операндов коды всех букв имен приводятся к одному регистру.
Для проверки второго операнда в переменную reg с помощью директивы SUBSTR помещается четвертый символ его имени. Если имя указано правильно, то это будет цифра от 0 до 7. Затем вторая директива SUBSTR копирует в переменную fvsym образец правильной записи имени второго операнда из списка допустимых имен. Наконец, директива IFDIFI сравнивает содержимое fvsym с именем второго операнда. При несовпадении выдается сообщение об ошибке и компиляция прекращается. В случае совпадения в текст программы вставляется код команды.
Дополнение к примеру 9. При выполнении инструкций группы FCMOVcc проверяется состояние разрядов регистра флагов EFLSGS. Обычным инструкциям FPU регистр флагов недоступен. Поэтому разработчики Pentium Pro ввели 4 новые операции, которые помещают результат сравнения операндов в разряды EFLAGS. Эти четыре инструкции имеют тот же формат, что и инструкции группы FCMOVcc. Поэтому для их компиляции можно использовать макроопределение примера 9 - просто добавьте в конец его текста следующие пять строчек:
Код (Text):
Напомним, что операнды неупорядочены, если значения одного или обоих лежат за пределами допустимого диапазона чисел. Обычно при выполнении операций над неупорядоченными операндами возникает аварийная ситуация при сравнении этого не происходит, а вырабатывается соответствующий признак.
Операнд в оперативной памяти. У новых двухадресных инструкций групп MMX, SSE1 и SSE2 один операнд находится в регистре mmx или xmm, а другой либо в регистре, либо в оперативной памяти. В большинстве случаев в оперативной памяти находится второй операнд, исключением являются инструкции пересылки. Они позволяют перемещать данные как из памяти в регистры, так и в обратном направлении.
Составить макроопределения для анализа и преобразования имен новых регистров mmx и xmm несложно. Намного сложнее выполнять анализ и преобразование адресов операндов, находящихся в оперативной памяти. При работе с 32-х разрядными адресами код операнда содержит переменное количество байтов, а в его мнемонической записи допускается использование арифметических и логических выражений. В качестве примера приведем три вполне корректные формы записи адресов операндов:
Код (Text):
Очевидно, что для анализа и преобразования подобных выражений нужен разбор всех допустимых случаев, при этом текст макроопределения становится слишком большим и трудно обозримым. Пример макроса, обрабатывающего ограниченный набор способов записи адресов операндов, приведен в Интернет на моем сайте www.macro.aaanet.ru. Но и при разумных ограничениях текст макроса остается достаточно длинным, поэтому некоторые авторы выбирают другой путь. К их числу относится Агнер Фог. Разработанные им макросы для компиляции новых инструкций находятся в Интернет, на сайте www.agner.org.
Подмена компилируемой инструкции. В этом случае в макроопределении выполняется только анализ и преобразование имен новых регистров, а адреса операндов, находящихся в оперативной памяти компилирует MASM. Для того чтобы он мог это сделать, в тексте макроопределения формируется псевдокоманда. Она состоит из имени подходящей инструкции общего назначения и операндов, указанных в реальной команде. После компиляции псевдокоманды в полученном объектном коде изменяется код операции. В качестве примера мы рассмотрим такой трюк (иначе его никак не назовешь) в чистом виде, когда в командах отсутствуют имена новых регистров.
Как уже говорилось, начиная с Pentium Pro, микропроцессоры семейства Pentium поддерживают группу CMOVcc, состоящую из 16-ти инструкций условной пересылки. При работе с версиями MASM 6.0 - 6.11 для компиляции инструкций этой группы нужно специальное макроопределение. Его текст приведен в примере 10.
Пример 10. Макроопределение для компиляции инструкций CMOVcc
Код (Text):
Текст примера 6.10 состоит из мета-макро определения CMOVDEF и неполного списка его макровызовов с указанием имен 4-х первых инструкций группы CMOVcc и соответствующих им кодов операций.
Предположим, что в тексте программы встретилась команда "cmovb cx, [bx+2]". MASM находит имя инструкции в списке CMOVDEF и вызывает одноименное мета-макро определение с параметрами CMOVB, 42h. Оно, в свою очередь, формирует и выполняет макроопределение "cmovb cx, [bx+2]", в котором производится подмена имени компилируемой инструкции.
Для подмены взята инструкция BSF, ее исполняют микропроцессоры семейства Intel, начиная с модели 386, и могут компилировать все версии MASM, начиная с 5.1. Таким образом, реально компилируется команда "bsf cx, [bx+2]". В результате MASM получается объектный код "0F BC 4F 02". Остается заменить в этом коде содержимое второго байта (BC) на 42, т. е. сформировать код "0F 42 4F 02", соответствующий исходной команде "cmovb cx, [bx+2]"
Особенности работы с макроопределением. Как уже говорилось, подмена компилируемой инструкции это трюк, а применение любых трюков обычно связано с определенными ограничениями. Обсудим два основных ограничения.
1. При корректировке кода инструкции BSF в примере 10 изменяется содержимое второго байта, но в некоторых случаях, нужный байт может быть не вторым, а третьим или четвертым. Давайте разберемся, в каких случаях это происходит.
Начиная с Intel 386, микропроцессоры могут работать в 16-ти разрядном (реальном) и в 32-х разрядном (защищенном) режимах. Независимо от установленного режима у команд могут быть как 16-ти, так и 32-х разрядные операнды и адреса. Если разрядность операнда или адреса не совпадает с разрядностью установленного режима работы процессора, то у команды появляются один или два префикса. Префикс размера операнда имеет код 66h, а префикс размера адреса имеет код 67h.
При наличии префиксов текущий адрес, сохраненный в примере 10 в переменной X, не соответствует адресу начала кода операции, а содержимое адреса X+1 не является вторым байтом кода операции и его изменять нельзя. Как поступать в таких случаях?
MASM определяет разрядность режима работы микропроцессора исходя из модели памяти, указанной в директиве .MODEL. Допустимы следующие имена моделей: TINY, SMALL, COMPACT, MEDIUM, LARGE, HUGE, FLAT. Из них только модель FLAT соответствует 32-х разрядному режиму работы микропроцессора.
Если компилируемые инструкции работают только с 16-ти разрядными операндами и адресами, то вы можете выбрать любую модель, кроме FLAT. И наоборот, если инструкции работают только с 32-х разрядными операндами и адресами, то надо выбрать модель FLAT. Только при выполнении этих условий у команд отсутствуют префиксы, и макроопределение примера 10 является корректным.
Если по каким-то причинам указанное требование не выполнимо, то надо произвести предварительную компиляцию и получить листинг программы. По листингу уточняется наличие и количество префиксов перед командой BSF и вносится изменение в текст макроопределения примера 10. В зависимости от количества префиксов адрес в директиве ORG X+1 изменяется на X+2 или X+3. Ничего лучшего предложить нельзя.
2. Запись адреса операнда, находящегося в оперативной памяти, может состоять из нескольких слов или выражений, разделенных пробелами. При компиляции таких записей с применением макроопределения примера 10 будет выдано аварийное сообщение "слишком много операндов". Для того чтобы в подобных случаях не возникало аварийной ситуации, запись адреса в команде надо заключить в угловые скобки, например, <dword ptr [eax]>. Сказанное не распространяется на пробелы, используемые при записи индексных выражений, заключенных в квадратные скобки.
Следует подчеркнуть, что указанные особенности или недостатки относятся не только к примеру 10, но и ко всем макроопределениям, в которых применяется подмена компилируемой инструкции.
Условное ассемблирование. Одним из полезных приемов программирования является включение в исходный текст программы условных блоков. Так называют последовательность команд, директив или макроопределений, которые компилируются или не компилируются в зависимости от выполнения заданного условия. Мы опишем пример условного блока, но предварительно поясним его назначение.
Макроопределения, выполняющие компиляцию любых инструкций можно применять только в тех случаях, когда используемая версия MASM не делает это самостоятельно. В противном случае MASM выдаст аварийное сообщение о повторном определении имени известной ему инструкции.
Программист обычно знает номер версии MASM, с которой он работает, и самостоятельно решает вопрос о необходимости применения соответствующих макроопределений. Но если создается общедоступное макроопределение, то заранее неизвестно кто им воспользуется, и какая версия компилятора окажется в его распоряжении. В таком случае текст макроопределения целесообразно оформить в виде условного блока, перед компиляцией которого проверяется поддержка MASM конкретной группы директив. Текст начала такого блока приведен в примере 11.
Код (Text):
В примере 6.11 проверяется поддержка MASM инструкций общего назначения, входящих в группу P6. Если вы собираетесь компилировать новые инструкции MMX, то, не изменяя версию, замените в тексте примера 6.11 директиву .686 на .mmx. При компиляции инструкций групп SSE надо изменить номер версии на 614, и вместо директивы .686 указать .xmm.
Замечание. Директивы .686, .mmx и .xmm разрешают компиляцию разных категорий инструкций микропроцессоров, поэтому их можно использовать совместно, но директива .686 должна быть указана первой. По крайней мере, так надо поступать при работе с версией MASM 6.15.
Заключение. В пределах статьи невозможно описать все разнообразие макросов и все возможные случаи их применения. Поэтому я стремился показать некоторые общие приемы, которые могут быть полезны при составлении макросов различного назначения. Насколько удачной оказалась эта попытка судить вам, уважаемые читатели и программисты.
© pts / HI-TECH
Макросы для компиляции команд
Дата публикации 20 окт 2002
