x86-64 Assembly Essentials

x86-64 アセンブリ⾔語の基礎的な⽂法解説スライドです．
口頭で補足しながら使用することを想定して作成したため，このスライドだけではわかりにくい部分があるかもしれません．
また，このスライドの内容は間違いを含む可能性があります．ご注意ください．

Transcript

1. x86-64 Assembly 入門 x86-64 Assembly Essentials by Latte72
2. 自己紹介 名前： Latte72 肩書： 2025年度 System班 班長 よく使う言語： Python, C, JavaScript, etc... SNSなど HP：https://latte72.net/ X：@Latte72R x86-64 Assembly Essentials by Latte72
3. はじめに とりあえずアセンブリで 8 * 9 を計算してみます（あとで解説します） .intel_syntax noprefix .globl main main: mov rax, 8 mov rbx, 9 imul rax, rbx ret x86-64 Assembly Essentials by Latte72
4. このスライドで解説すること x86-64 アセンブリ言語の基礎的な文法 このスライドで解説しないこと C言語の文法 x86-64 アセンブリ言語の発展的な文法 x86-64 以外のアセンブリ言語 x86-64 Assembly Essentials by Latte72
5. お約束 このスライドで注意書きなしにアセンブリ言語と書いた場合は x86-64 の アセンブリを指すこととします このスライドでは GNU アセンブリの Intel 記法 を用います アセンブリの１行目に .intel_syntax noprefix と記述してください メイン関数のみ外部からアクセスできるように設定します アセンブリの２行目に .globl main と記述してください このスライドではSyntax hilightingの関係で ; をコメント用記号として用います が、GNU Assemblerではコメント用記号として # を使うことに注意してください x86-64 Assembly Essentials by Latte72
6. アセンブリ言語とは C言語やPythonなどと比べ、ハードウェアに近い低レベルのプログラミング言語 プログラムの各命令がCPUの動作に直結しているため、詳細な制御が可能 コンピュータの種類によって x86-64, Arm64, RISV-V などの多くの種類がある x86-64アーキテクチャの概要 x86-64は、64bit CPU向けの命令セットアーキテクチャでIntelとAMDによって 採用されている（大半のWindows PCと2015年以前のMacintosh） 歴史的な経緯から8bitや16bitの命令もサポートしておりやや統一性に欠ける x86-64 Assembly Essentials by Latte72
7. 命令 命令とは、CPUに具体的な動作を指示するためのものです （個々の命令の説明は後で行います） 命令の種類（一部） 算術演算命令 データ転送命令 スタック操作命令 仕様により、基本的にメモリからメモリへの直接の演算は許されていません 両方のオペランドがメモリの場合はエラーになるので注意してください x86-64 Assembly Essentials by Latte72
8. レジスタ レジスタは、データの一時保存や演算結果の保持、関数呼び出し時の管理などに 使われます （個々のレジスタの説明は後で行います） レジスタの種類（一部） 汎用レジスタ 関数の引数用レジスタ スタック関連レジスタ x86-64 Assembly Essentials by Latte72
9. スタック スタックとは関数内の一時データ保存に用いるものです データを保存する棚のようなものだと理解するといいかもしれません スタックには高位アドレスから下位アドレスに向かってデータを配置していきます 個人的にはスタックの理解がアセンブリを理解する中で最もハードルが高いと思って います x86-64 Assembly Essentials by Latte72
10. スタックのイメージ ※ 上側が下位アドレスです 出典：https://qiita.com/kaito_tateyama/items/89272098f4b286b64115 x86-64 Assembly Essentials by Latte72
11. スタック関連レジスタ スタックを管理するために使います rsp Stack Pointer, スタックの先頭位置を示します rbp Base Pointer, 関数内でローカル変数の位置の基準として利用します rip Instruction Pointer, 次に実行する命令のアドレスを記録します x86-64 Assembly Essentials by Latte72
12. スタック操作命令 push データをスタック（rspの位置）に積みます rsp は自動的にデータのサイズ分移動します pop スタック（rspの位置）からデータを取り出して指定したレジスタに格納します rsp は自動的にデータのサイズ分移動します x86-64 Assembly Essentials by Latte72
13. 汎用レジスタ 主に演算結果や関数の戻り値を保持します rax, rbx, rcx, rdx などがあり、計算やデータ操作に用います これらのレジスタは基本的に意味のないものとして扱われますが、処理によっては 特別な意味を持っていることもあります 例）rax は関数の戻り値を表すために用いられます x86-64 Assembly Essentials by Latte72
14. 汎用レジスタの構造 raxは64bitあり、その下位32bitがeaxレジスタ、そのさらに下位16bitがaxレジスタ、 その上位8bitがahレジスタ、下位8bitがalレジスタとなっています、 rbx, rcx, rdx も同じ構造です 出典：https://qiita.com/kaito_tateyama/items/89272098f4b286b64115 x86-64 Assembly Essentials by Latte72
15. アドレスのサイズ指定 アドレスのサイズを表す場合に mov rax, dword ptr [rbp - 8] のように使います 名称 サイズ byte 1 byte word 2 byte dword 4 byte qword 8 byte x86-64 Assembly Essentials by Latte72
16. 変数のサイズ C言語でのある型の変数のサイズは、プログラム内で統一されている必要があります 一般的には以下のサイズを採用します 型 サイズ char 1 byte int 4 byte 配列を利用する場合は上記のサイズと要素数の積が配列のサイズとなります x86-64 Assembly Essentials by Latte72
17. データ転送命令 データを読み出したり格納したりする命令には以下のようなものがあります。 データ転送命令（一部） mov movzx lea x86-64 Assembly Essentials by Latte72
18. mov 値をレジスタやアドレスに格納します mov A, B で B を A に格納します 例） mov eax, 7 mov rax, rbx mov rax, qword ptr [rbp - 8] mov dword ptr [rbp - 8], eax eax, ax, ah, al に格納するときの rax の上位ビットの残り部分 eax に格納するときには上位32bitは 0 で初期化されます しかし、ax, ah, al に格納するときには、上位ビットは変更されません x86-64 Assembly Essentials by Latte72
19. movzx 小さいサイズの値をゼロ拡張して大きなレジスタに格納する命令 movzx A, B で B を A に格納します 例） movzx rax, ebx movzx rax, word ptr [rbp - 6] lea leaはメモリ内容ではなく計算したアドレスをレジスタに格納します lea A, [B] で B の計算結果を A に格納します 例） lea rax, [rbp - 16] x86-64 Assembly Essentials by Latte72
20. アドレスからの読み出し 例えば、 メモリの rbp - 16 のアドレスに格納されている4byteの値を A に 格納するときには、 mov A, dword ptr [rbp - 16] と記述します 一方で、メモリの rbp - 16 のアドレス自体を A に格納するときには、 lea A, [rbp - 16] と記述します ※ 格納先の A のサイズが決まっている場合は読み出し元のサイズは 　 省略可能ですが、ミスを減らすために記述したほうがいいです x86-64 Assembly Essentials by Latte72
21. アドレスへの格納 例えば、 A に格納されている値を rbp - 16 から4byte分の領域に格納するときには、 mov dword ptr [rbp - 16], A と記述します ※ 格納元の A のサイズが決まっている場合は読み出し元のサイズは 　 省略可能ですが、ミスを減らすために記述したほうがいいです x86-64 Assembly Essentials by Latte72
22. 算術演算命令 アセンブリ言語には以下のような算術演算命令があります add は加算命令で add A, B で A = A + B を意味します sub は減算命令で sub A, B で A = A - B を意味します imul は乗算命令で imul A, B で A = A * B を意味します idiv は除算命令ですが、少し特殊なので次のページで解説します なお、 imul と idiv の i は整数（integer）を表しています x86-64 Assembly Essentials by Latte72
23. idiv の使い方 割られる値が rdx:rax という形で格納され、指定した除数で割ると、商が rax に、 余りが rdx に格納されます 通常、rax に被除数の下位部分をセットし、その符号を拡張するために cqo命令(convert quadword to octaword)を使い、rdx に符号拡張された値を設定します 例）100 / 7 を計算 mov rax, 100 mov rbx, 7 cqo idiv rbx x86-64 Assembly Essentials by Latte72
24. ここまでのおさらい（１） スライドの最初で紹介した 8 * 9 の計算です 理解できるようになったでしょうか？ .intel_syntax noprefix .globl main main: mov rax, 8 ; rax = 8 mov rbx, 9 ; rbx = 9 imul rax, rbx ; rax = rax * rbx ret ; return rax x86-64 Assembly Essentials by Latte72
25. 関数 アセンブリでは高水準言語のような「関数」という概念は存在しませんが、call 命令 と ret 命令を用いて関数呼び出しを実現します call 命令を用いて関数を呼び出し、ret 命令で値を返却します 関数内では rbp を利用してスタックフレームを設定し、ローカル変数や引数を管理し ます 関数の呼び出し時の rax 可変引数の関数を呼び出す場合に限り、rax の下位8ビット（al）に、浮動小数点引数 の個数を設定する必要があります x86-64 Assembly Essentials by Latte72
26. 関数の開始時の処理 プログラム全体のスタック管理を安全に行うために、関数呼び出しごとにローカル変 数のためのメモリ領域を確保し、終了時に元の状態に戻します 関数の開始時には以下の処理を記述します なお、A には関数内で使用する一時データや変数のサイズを書きます push rbp mov rbp, rsp sub rsp, A x86-64 Assembly Essentials by Latte72
27. push rbp 関数呼び出し前の rbp の値をスタックに退避します mov rbp, rsp rsp の値を rbp にコピーして、現在のスタックフレームの基準点を設定し、関数内で ローカル変数や引数へのアクセスが容易にします sub rsp, A スタックポインタを A バイト分下げます この領域は関数内で使用する一時データや変数の保存に利用されます x86-64 Assembly Essentials by Latte72
28. 関数の終了時の処理 関数の終了時には以下の処理を記述します mov rsp, rbp pop rbp ret それぞれ関数の開始時の処理に対応しています、ret は call に対応しています mov rsp, rbp 関数呼び出し前の rsp の値に戻します pop rbp 関数呼び出し前の rbp の値に戻します x86-64 Assembly Essentials by Latte72
29. 関数呼び出し規約 関数の引数用レジスタ 関数の呼び出し時に引数を渡すために使用されます 第１引数から順に rdi, rsi, rdx, rcx を利用します 本当はもっと先まであるのですが、今回は割愛します 関数の戻り値用レジスタ 関数の戻り値は rax に格納します スタックアラインメント 関数呼び出し時のスタックは16byte単位でアラインメントされている必要があります x86-64 Assembly Essentials by Latte72
30. なぜアラインメントが必要なのか 浮動小数点演算や拡張命令を正しく行うために、呼び出し先の関数では 「呼び出されたタイミングでスタックが16byte境界に揃っている」という前提に 基づいて、ローカル変数や一時領域を配置するからです 呼び出し側でのスタック調整の例 もし関数を呼び出す際に rsp % 16 == 8 ならば、以下の調整を行います sub rsp, 8 ; スタックを16byte境界に合わせるために8byteだけ下げる call function add rsp, 8 ; 呼び出しが終わったら戻す x86-64 Assembly Essentials by Latte72
31. .globl 関数を外部から利用できるようにするために globl を用います 例えば、 main を参照できるようにするには .globl main と宣言する必要があります .extern printf .extern 外部に関数が存在することを宣言して利用できるようにするために extern を用います 例えば、 printf を呼び出すためには .extern printf と宣言する必要があります .extern printf x86-64 Assembly Essentials by Latte72
32. ここまでのおさらい（２） 変数を使ったプログラムをアセンブルしたものです .intel_syntax noprefix .globl main main: push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 8 mov dword ptr [rbp - 4], 8 mov dword ptr [rbp - 8], 9 mov eax, dword ptr [rbp - 4] mov ebx, dword ptr [rbp - 8] imul rax, rbx mov rsp, rbp pop rbp ret x86-64 Assembly Essentials by Latte72
33. 比較演算命令 アセンブリで値を比較するときは cmp 命令を使います これは実際に引き算を行ってフラグレジスタを更新する命令です フラグレジスタ フラグレジスタには、演算や比較の結果を表す ビット がいくつも存在します。代表的 なものには次のようなものがあります ZF (Zero Flag)： cmp rax, 0 で rax が 0 のときにセットされる SF (Sign Flag)：演算結果が負の数になったときにセットされる OF (Overflow Flag)：演算でオーバーフローが発生したときにセットされる x86-64 Assembly Essentials by Latte72
34. set 命令の一覧 （代表的なもの） sete al：ZF が 1 なら 1 をセット (==) setne al：ZF が 0 なら 1 をセット (!=) setl al：SF != OF なら 1 をセット (<) setle al：(SF != OF) || ZF なら 1 (<=) 実際の比較方法 例として rax = rbx < rcx という比較演算を考えます cmp rbx, rcx setl al movzx rax, al x86-64 Assembly Essentials by Latte72
35. 論理演算子 || と && の実装 C言語の論理演算子 &&： 両方が真なら真 ||： いずれかが真なら真 アセンブリでは、フラグと条件付き命令を用いてこれらを実現します test 命令 test 命令は、2つのオペランドの論理積（AND）を計算し、CPUのフラグを更新します 主に、ゼロかどうかや符号などの条件を調べるために利用されます x86-64 Assembly Essentials by Latte72
36. 論理AND ( && ) and 命令 and 命令は、2つのオペランドのビットごとの論理積（AND）を計算し、その結果を最 初のオペランドに格納します 論理AND ( && ) の実装 レジスタ rax と rdi の両方が非ゼロ（真）の場合に 1 を返す例です test rax, rax ; raxが0かどうかをチェック setne al ; rax != 0なら AL に 1 をセット、そうでなければ 0 test rdi, rdi ; rdiが0かどうかをチェック setne dl ; rdi != 0なら DL に 1 をセット、そうでなければ 0 and al, dl ; AL と DL の論理積（AND）を計算 movzx rax, al ; (rax != 0) && (rdi != 0) を表す x86-64 Assembly Essentials by Latte72
37. 論理OR ( || ) or 命令 or 命令は、2つのオペランドのビットごとの論理和（OR）を計算し、その結果を最初 のオペランドに格納します 論理OR ( || ) の実装 レジスタ rax または rdi のいずれかが非ゼロ（真）であれば 1 を返す例です test rax, rax ; raxが0かどうかをチェック setne al ; rax != 0なら AL に 1 をセット、そうでなければ 0 test rdi, rdi ; rdiが0かどうかをチェック setne dl ; rdi != 0なら DL に 1 をセット、そうでなければ 0 or al, dl ; AL と DL の論理和（OR）を計算 movzx rax, al ; (rax != 0) || (rdi != 0) を表す x86-64 Assembly Essentials by Latte72
38. 条件分岐命令 高水準言語での if や while, for は、アセンブリでは条件付きジャンプ命令と 無条件ジャンプ命令で実現します。 条件付きジャンプ命令 cmp 命令で値を比較してから、フラグレジスタの内容に応じてジャンプします je (jump if equal) は、比較した 2 つの値が等しいときにジャンプする命令です 他にも jne, jg, jge, jl, jle などがあります 無条件ジャンプ命令 無条件ジャンプ命令には jmp を用います x86-64 Assembly Essentials by Latte72
39. ラベル ジャンプするためにはジャンプ先を指定する必要があります この指定に用いるのがラベル（ローカルラベル）です ラベルには様々な名称を用いることができますが、他のラベル名とは被らないように 番号などをつけておくと良いでしょう また、何のためのラベルなのかわかりやすいように .LelseXXX や .LstepXXX などの 名前をつけると良いです（XXXの部分は数値があてはまります） x86-64 Assembly Essentials by Latte72
40. if 文の実装（else がないとき） 高水準言語での if 文は、条件が成立した場合にのみ処理を実行する構造ですが、 アセンブリではまず値を cmp 命令で比較し、その結果に基づき条件付きジャンプ命令 で分岐します ; rax に条件の真偽を入れておく（偽ならば rax = 0 ） cmp rax, 0 je .LendXXX ; ここに条件が真だったときの実行内容を書く .LendXXX: x86-64 Assembly Essentials by Latte72
41. if 文の実装（else があるとき） else がある場合には少し構造が複雑になりますが基本は同じです ; rax に条件の真偽を入れておく（偽ならば rax = 0 ） cmp rax, 0 je .LelseXXX ; ここに条件が真だったときの実行内容を書く jmp .LendXXX .LelseXXX: ; ここに条件が偽だったときの実行内容を書く .LendXXX: なお、else if が使われている場合は else 節の中に if を埋め込んでください x86-64 Assembly Essentials by Latte72
42. while ループの実装 while ループは、条件が成立している間、ループ内の処理を繰り返します whileは条件チェックを後で行うこともできますが、ここでは無視します また、単純化するために break や continue は無視します .LbeginXXX: ; rax に条件の真偽を入れておく（偽ならば rax = 0 ） cmp rax, 0 je .LendXXX ; ここに条件が真だったときの実行内容を書く jmp .LbeginXXX .LendXXX: x86-64 Assembly Essentials by Latte72
43. for ループの実装 for ループは、初期化、条件判定、ループ本体、更新処理の一連の流れで構成されます 今回は単純化するために break や continue は無視します ; ここに初期化処理を書く .LbeginXXX: ; rax に条件の真偽を入れておく（偽ならば rax = 0 ） cmp rax, 0 je .LendXXX ; ここに条件が真だったときの実行内容を書く ; ここに更新処理の実行内容を書く jmp .LbeginXXX .LendXXX: x86-64 Assembly Essentials by Latte72
44. セクション管理 アセンブリプログラムでは、以下のようなセクションを用いてデータを管理します .data セクション 文字列リテラルやグローバル変数など初期化済みのデータを配置する領域です .text セクション 実際の命令コードを配置する領域です .text main: ; main 関数で実行する命令 .data .L0: .string "Hello" x86-64 Assembly Essentials by Latte72
45. rip を用いたデータセクションへのアクセス コード中でデータセクションの変数にアクセスする際、rip からのオフセットを 指定することで、プログラムの配置場所に依存しないアクセスが可能となります x86-64 Assembly Essentials by Latte72
46. ここまでのおさらい（３） "Hello"[2] にアクセスするプログラムです .intel_syntax noprefix .text .globl main main: push rbp mov rbp, rsp lea rax, [rip+.L0] movzx rax, byte ptr [rax+2] mov rsp, rbp pop rbp ret .data .L0: .string "Hello" x86-64 Assembly Essentials by Latte72
47. ここまでのおさらい（４） .intel_syntax noprefix .data .L0: .string "Hello World\n" .text .globl main .extern printf main: push rbp mov rbp, rsp lea rdi, [rip+.L0] mov rax, 0 call printf mov rax, 0 mov rsp, rbp pop rbp ret x86-64 Assembly Essentials by Latte72
48. 参考資料 アセンブリに触れてみよう https://qiita.com/kaito_tateyama/items/89272098f4b286b64115 低レイヤを知りたい人のためのCコンパイラ作成入門 https://www.sigbus.info/compilerbook NASM による x64 アセンブリ https://azelpg.gitlab.io/azsky2/note/prog/asm64/index.html x86-64 Assembly Essentials by Latte72