Что такое смещение в программировании

Логический сдвиг вправо

При логическом сдвиге вправо происходит сдвиг всех разрядов регистра вправо на одну позицию, младший бит (самый правый) при этом теряется, а в старший (самый левый) записывается 0

Обозначается знаком «>>»

Логический сдвиг вправо используется как арифметическая операция для целочисленного деления на 2.

(29 голосов, оценка: 4,97 из 5)

Источник

Память системы

Прежде чем рассказывать, о языке ассемблера я расскажу вам, как устроена память на Win32 системах. Программировать на ассемблере не зная, как устроена память системы бессмысленно. Самое главное преимущество ассемблера состоит во взаимодействии с памятью.

Ладно, приступим. Сначала я объясню, что такое смещение. Смещение это положение относительно чего-то. Смещение может быть в файле, в памяти и вообще во всём. Если говорить по-другому, то смещение это положение, адрес, местонахождение всегда измеряется в байтах. У каждой переменной есть смещение, у каждой команды есть смещение.

Немного истории.

Теперь о памяти. В ДОС и в windows 3.Х память была сегментной. Вся память делилась на сегменты по 64 КВ., и адрес (именно адрес, а не смещение) задавалась, форматом сегмент: офсет. Сегмент задаёт порядковый номер сегмента, а офсет задаёт смещение чего-либо в этом сегменте.

Учтите, что это объяснение для 16-разрядных программ, о 32-разрядных я расскажу позже, (но не пропускайте эту часть, важно понять, что такое 32-разрядность).

Таблица выше иллюстрирует общую память, разделенную на сегменты по 64kb. Здесь максимум 65536 сегментов. Теперь возьмите один из сегментов:

Вы спросите, зачем нужна эта сегментность. Всему есть разумное объяснение. Дело в том в том, что ДОС 16 битный. И регистры 16 битные. С помощью 16 бит можно адресовать только 65536 байт памяти и 65536 сегментов.

Например: 0030:4012 (всё шестнадцатиричное)

Это означает: сегмент 30, смещение 4012. Чтобы узнать, что находится в том адресе, вы сначала переходите на сегмент 30, а затем в сегменте смещаетесь на 4012. В предыдущих уроках мы узнали о сегментных и указательных регистрах. Например, сегментные регистры:

Теперь о Win32.

В 16-разрядном программировании, сегменты необходимы. К счастью, эта проблема решена в 32-разрядном Windows (95 и выше). Вы все еще имеете сегменты, но вам не нужно заботиться о них, потому, что они уже не 64kb (как в 16-разрядном), а 4 Гб. Windows вероятно даже «повиснет», если вы попытаетесь изменить один из сегментных регистров. Это называеся плоской моделью памяти (flat). Здесь есть только смещения и они теперь 32-разрядные (в диапазоне от 0 до 4,294,967,295). Каждая ячейка в памяти указывается смещением. Это действительно одно из лучших преимуществ 32-разрядного программирования над 16-разрядным. Так что теперь вы можете забыть о сегментных регистрах и сосредоточиться на других регистрах.

Вот общая схема памяти в Win32.

Но 4ГБ может и не быть на машине, поэтому эта память называется виртуальной. Мало того, каждый процесс выполняется в своём виртуальном адресном пространстве. А это значит, что никакой другой процесс не сможет получить доступ к вашей памяти. Для этого существуют специальные API функции, но для их использования нужно иметь специальные привилегии в системе. Память 0-0000FFFF не используется и служит для выявления нулевых указателей, значит, если вы укажете адрес 0000С567, то он будет считаться нулевым, удобно, не правда ли? Любая попытка обратится к этой памяти приводит к ошибке. Память выше 80000000 одна для всех процессов. В этой памяти находится код нулевого кольца, структуры ядра, код планировщика задач, код драйверов, диспетчер ввода вывода, таблица прерываний и т.д. Любая попытка обратиться к памяти ядра приводит к ошибке и к немедленному завершению приложения. Память в диапазоне 00001000-7FFFFFFF доступна для 3 кольца, т.е. для вашего приложения. С ней вы, что хотите то и делаете, в неё также грузятся Дллки.

Выделение памяти.

Источник

Что такое смещение в программировании

Сегментом называется область, которая начинается на границе
параграфа, т.е. по любому адресу, который делится на 16 без остатка. Хотя
сегмент может располагаться в любом месте памяти и иметь размер до 64
Кбайт, он требует столько памяти, cколько необходимо для выполнения
программы. Имеется три главных сегмента:

1. С е г м е н т к о д о в. Сегмент кодов содержит машинные
команды, которые будут выполняться. Обычно первая выполняемая команда
находится в начале этого сегмента и операционная система передает
управление по адресу данного сегмента для выполнения программы.
Регистр сегмента кодов (CS) адресует данный сегмент.
2. С е г м е н т д а н н ы х. Сегмент данных содержит
определенные данные, константы и рабочие области, необходимые
программе. Регистр сегмента данных (DS) адресует данный сегмент.
3. С е г м е н т с т е к а. Стек содержит адреса возврата как
для программы для возврата в операционную систему, так и для вызовов
подпрограмм для возврата в главную программу. Регистр сегмента стека
(SS) адресует данный сегмент.

Еще один сегментный регистр, регистр дополнительного сегмента (ES),
предназначен для специального использования. На pис.1.2 графически
представлены регистры SS, DS и CS. Последовательность регистров и
сегментов на практике может быть иной. Три сегментных регистра содержат
начальные адреса соответствующих сегментов и каждый сегмент начинается на
границе параграфа.

___________________________________ ___________________________________ ____

Рис.1.2. Сегменты и регистры.

Адрес в DS: 045F0
Смещение: 0032
——
Реальный адрес: 04622

Источник

Организация памяти

За последнюю неделю дважды объяснял людям как организована работа с памятью в х86, с целью чтобы не объяснять в третий раз написал эту статью.

И так, чтобы понять организацию памяти от вас потребуется знания некоторых базовых понятий, таких как регистры, стек и тд. Я по ходу попробую объяснить и это на пальцах, но очень кратко потому что это не тема для этой статьи. Итак начнем.

Как известно программист, когда пишет программы работает не с физическим адресом, а только с логическим. И то если он программирует на ассемблере. В том же Си ячейки памяти от программиста уже скрыты указателями, для его же удобства, но если грубо говорить указатель это другое представление логического адреса памяти, а в Java и указателей нет, совсем плохой язык. Однако грамотному программисту не помешают знания о том как организована память хотя бы на общем уровне. Меня вообще очень огорчают программисты, которые не знают как работает машина, обычно это программисты Java и прочие php-парни, с квалификацией ниже плинтуса.

Так ладно, хватит о печальном, переходим к делу.
Рассмотрим адресное пространство программного режима 32 битного процессора (для 64 бит все по аналогии)
Адресное пространство этого режима будет состоять из 2^32 ячеек памяти пронумерованных от 0 и до 2^32-1.
Программист работает с этой памятью, если ему нужно определить переменную, он просто говорит ячейка памяти с адресом таким-то будет содержать такой-то тип данных, при этом сам програмист может и не знать какой номер у этой ячейки он просто напишет что-то вроде:
int data = 10;
компьютер поймет это так: нужно взять какую-то ячейку с номером стопицот и поместить в нее цело число 10. При том про адрес ячейки 18894 вы и не узнаете, он от вас будет скрыт.

Все бы хорошо, но возникает вопрос, а как компьютер ищет эту ячейку памяти, ведь память у нас может быть разная:
3 уровень кэша
2 уровень кэша
1 уровень кэша
основная память
жесткий диск

Это все разные памяти, но компьютер легко находит в какой из них лежит наша переменная int data.
Этот вопрос решается операционной системой совместно с процессором.
Вся дальнейшая статья будет посвящена разбору этого метода.

Архитектура х86 поддерживает стек.

Стек это непрерывная область оперативной памяти организованная по принципу стопки тарелок, вы не можете брать тарелки из середины стопки, можете только брать верхнюю и класть тарелку вы тоже можете только на верх стопки.
В процессоре для работы со стеком организованны специальные машинные коды, ассемблерные мнемоники которых выглядят так:

push operand
помещает операнд в стек

pop operand
изымает из вершины стека значение и помещает его в свой операнд

Стек в памяти растет сверху вниз, это значит что при добавлении значения в него адрес вершины стека уменьшается, а когда вы извлекаете из него, то адрес вершины стека увеличивается.

Теперь кратко рассмотрим что такое регистры.
Это ячейки памяти в самом процессоре. Это самый быстрый и самый дорогой тип памяти, когда процессор совершает какие-то операции со значением или с памятью, он берет эти значения непосредственно из регистров.
В процессоре есть несколько наборов логик, каждая из которых имеет свои машинные коды и свои наборы регистров.
Basic program registers (Основные программные регистры) Эти регистры используются всеми программами с их помощью выполняется обработка целочисленных данных.
Floating Point Unit registers (FPU) Эти регистры работают с данными представленными в формате с плавающей точкой.
Еще есть MMX и XMM registers эти регистры используются тогда, когда вам надо выполнить одну инструкцию над большим количеством операндов.

Рассмотрим подробнее основные программные регистры. К ним относятся восемь 32 битных регистров общего назначения: EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI, ESP
Для того чтобы поместить в регистр данные, или для того чтобы изъять из регистра в ячейку памяти данные используется команда mov:

mov eax, 10
загружает число 10 в регистр eax.

mov data, ebx
копирует число, содержащееся в регистре ebx в ячейку памяти data.

Регистр ESP содержит адрес вершины стека.
Кроме регистров общего назначения, к основным программным регистрам относят шесть 16битных сегментных регистров: CS, DS, SS, ES, FS, GS, EFLAGS, EIP
EFLAGS показывает биты, так называемые флаги, которые отражают состояние процессора или характеризуют ход выполнения предыдущих команд.
В регистре EIP содержится адрес следующей команды, которая будет выполнятся процессором.
Я не буду расписывать регистры FPU, так как они нам не понадобятся. Итак наше небольшое отступление про регистры и стек закончилось переходим обратно к организации памяти.

Как вы помните целью статьи является рассказ про преобразование логической памяти в физическую, на самом деле есть еще промежуточный этап и полная цепочка выглядит так:

линейный адрес=Базовый адрес сегмента(на картинке это начало сегмента) + смещение

Сегмент кода

Сегмент данных

Сегмент стека

Используемый сегмент стека задается значением регистра SS.
Смещение внутри этого сегмента представлено регистром ESP, который указывает на вершину стека, как вы помните.
Сегменты в памяти могут друг друга перекрывать, мало того базовый адрес всех сегментов может совпадать например в нуле. Такой вырожденный случай называется линейным представлением памяти. В современных системах, память как правило так организована.

Теперь рассмотрим определение базовых адресов сегмента, я писал что они содержаться в регистрах SS, DS, CS, но это не совсем так, в них содержится некий 16 битный селектор, который указывает на некий дескриптор сегментов, в котором уже хранится необходимый адрес.

Так выглядит селектор, в тринадцати его битах содержится индекс дескриптора в таблице дескрипторов. Не хитро посчитать будет что 2^13 = 8192 это максимальное количество дескрипторов в таблице.
Вообще дескрипторных таблиц бывает два вида GDT и LDT Первая называется глобальная таблица дескрипторов, она в системе всегда только одна, ее начальный адрес, точнее адрес ее нулевого дескриптора хранится в 48 битном системном регистре GDTR. И с момента старта системы не меняется и в свопе не принимает участия.
А вот значения дескрипторов могут меняться. Если в селекторе бит TI равен нулю, тогда процессор просто идет в GDT ищет по индексу нужный дескриптор с помощью которого осуществляет доступ к этому сегменту.
Пока все просто было, но если TI равен 1 тогда это означает что использоваться будет LDT. Таблиц этих много, но использоваться в данный момент будет та селектор которой загружен в системный регистр LDTR, который в отличии от GDTR может меняться.
Индекс селектора указывает на дескриптор, который указывает уже не на базовый адрес сегмента, а на память в котором хранится локальная таблица дескрипторов, точнее ее нулевой элемент. Ну а дальше все так же как и с GDT. Таким образом во время работы локальные таблицы могут создаваться и уничтожаться по мере необходимости. LDT не могут содержать дескрипторы на другие LDT.
Итак мы знаем как процессор добирается до дескриптора, а что содержится в этом дескрипторе посмотрим на картинке:
Дескрипторы состоит из 8 байт.
Биты с 15-39 и 56-63 содержат линейный базовый адрес описываемым данным дескриптором сегмента. Напомню нашу формулу для нахождения линейного адреса:

линейный адрес = базовый адрес + смещение

[база; база+предел)

(база+предел; вершина]

Кстати интересно почему база и предел так рвано располагаются в дескрипторе. Дело в том что процессоры х86 развивались эволюционно и во времена 286х дескрипторы были по 8 бит всего, при этом старшие 2 байта были зарезервированы, ну а в последующих моделях процессоров с увеличением разрядности дескрипторы тоже выросли, но для сохранения обратной совместимости пришлось оставить структуру как есть.
Значение адреса «вершина» зависит от 54го D бита, если он равен 0, тогда вершина равна 0xFFF(64кб-1), если D бит равен 1, тогда вершина равна 0xFFFFFFFF (4Гб-1)
С 41-43 бит кодируется тип сегмента.
000 — сегмент данных, только считывание
001 — сегмент данных, считывание и запись
010 — сегмент стека, только считывание
011 — сегмент стека, считывание и запись
100 — сегмент кода, только выполнение
101- сегмент кода, считывание и выполнение
110 — подчиненный сегмент кода, только выполнение
111 — подчиненный сегмент кода, только выполнение и считывание

44 S бит если равен 1 тогда дескриптор описывает реальный сегмент оперативной памяти, иначе значение S бита равно 0.

Самым важным битом является 47-й P бит присутствия. Если бит равен 1 значит, что сегмент или локальная таблица дескрипторов загружена в оперативку, если этот бит равен 0, тогда это означает что данного сегмента в оперативке нет, он находится на жестком диске, случается прерывание, особый случай работы процессора запускается обработчик особого случая, который загружает нужный сегмент с жесткого диска в память, если P бит равен 0, тогда все поля дескриптора теряют смысл, и становятся свободными для сохранения в них служебной информации. После завершения работы обработчика, P бит устанавливается в значение 1, и производится повторное обращение к дескриптору, сегмент которого находится уже в памяти.

На этом заканчивается преобразование логического адреса в линейный, и я думаю на этом стоит прерваться. В следующий раз я расскажу вторую часть преобразования из линейного в физический.
А так же думаю стоит немного поговорить о передачи аргументов функции, и о размещении переменных в памяти, чтобы была какая-то связь с реальностью, потому размещение переменных в памяти это уже непосредственно, то с чем вам приходится сталкиваться в работе, а не просто какие-то теоретические измышления для системного программиста. Но без понимания, как устроена память невозможно понять как эти самые переменные хранятся в памяти.
В общем надеюсь было интересно и до новых встреч.

Источник