Karena bahasa assembly adalah mnemonic (singkatan) untuk instruksi dalam bahasa mesin. Maka perintah-perintah dalam bahasa assembly terkait erat dengan prosesornya. Setiap prosesor memiliki instruction set masing-masing,sehingga bahasa assembly untuk prosesor Intel akan berbeda dengan assembly untuk prosesor lainnya.  Namun karena intel menguasai pangsa pasar prosesor maka hampir semua produsen prosesor membuat instruksi set yang kompatibel dengan intel.

Ada dua sintaks bahasa assembly, yaitu dalam format AT&T dan NASM. Sintaks AT&T banyak dipakai dalam lingkungan GNU seperti GNU Assembler, dan menjadi format default GNU Debugger (GDB). Sedangkan format NASM dipakai oleh netwide assembler dan banyak dipakai di lingkungan windows.

Perhatikan gambar di bawah ini untuk melihat register-register yang ada dalam prosesor keluarga IA32 (Intel Architecture 32 bit).

Dalam gambar di ats terlihat bahwa register-register Extended (berawalan E) adalah register 32 bit. Agar kompatibel program-program sebelumnya ketika register hanya ada 16 bit, maka register yang lain adalah bagian bit bawah dari versi extendednya. Contohnya adalah register ESI dan SI. Register SI adalah 16 bit paling bawah dari ESI. Pada register EAX, AX adalah 16 bit paling bawah dari EAX. Register AX pun dipecah lagi menjadi 8 bit atas AH dan 8 bit bawah AL. Programmer bebas menggunakan yang mana saja sesuai kebutuhannya.

The Classic “Hello World”

Cukup sudah berteori, kini kita mulai berbasah-basah. Mari kita buat program pertama dalam assembly yang menampilkan teks “Hello World”. Dalam artikel ini saya menggunakan format syntax Intel, bukan AT&T. Silakan ketik source berikut dan simpan dalam nama hello.asm

Setelah itu kita akan mengcompile file ASM itu menjadi object code berformat ELF dengan NASM (netwide assembler). Setelah itu akan terbentuk file hello.o yang harus dilink dengan linker LD agar menjadi format executable.

Selamat, anda telah berhasil membuat program Hello World dalam bahasa Assembly. Program di atas sangat sederhana, kita memanggil system call write() untuk menampilkan string (msg), kemudian kita memanggil system call exit() untuk keluar dari program dan program selesai. String msg kita taruh dalam section .data karena section tersebut khusus untuk menyimpan data/variabel. Sedangkan instruksi assembly disimpan dalam section .text karena section text khusus untuk menyimpan code.

Hello World Opcode

Untuk melihat keterkaitan antara assembly dan bahasa mesin kita bisa melihat opcode dari program assembly yagn kita buat dengan program objdump pada gambar berikut ini.

Opcode di sebelah kiri adalah versi bahasa mesin dari bahasa assembly di sebelah kanannya. Hal ini menunjukkan eratnya kaitan antara assembly dan bahasa mesin. Contohnya adalah instruksi assembly INT 0x80 diterjemahkan ke bahasa mesin: 0xCD 0x80 (dalam hexa) atau 11001101 (binary dari 0xCD) 10000000 (binary dari 0x80).

Perhatikan bahwa pada source code assembly, “MOV EDX, len” setelah dicompile diterjemahkan menjadi “MOV EDX, 0xE”. Hal ini karena len adalah konstanta berisi panjang string “Hello, World!” yaitu sepanjang 14 karakter. Instruksi assembly pada source code “MOV ECX, msg” setelah dicompile diterjemahkan menjadi “MOV ECX, 0x80490a4”. Mengapa msg diterjemahkan menjadi 0x80490a4? Hal ini karena msg adalah address dari string “Hello, World!” sehingga setelah dicompile diterjemahkan menjadi alamat 0x80490a4. Terlihat juga pada gambar di atas pada lokasi 0x80490a4 terdapat string “Hello, World!”.

System Call

Dalam program hello world di atas kita memanfaatkan system call untuk menampilkan teks di layar monitor. System call adalah gerbang menuju kernel mode bagi program yang membutuhkan servis yang hanya bisa dikerjakan oleh kernel.

System call di Linux dipanggil dengan menggunakan interrupt 80 hexa. Nomor system call dimasukkan dalam register EAX. Daftar lengkap nomor systemcall di Linux bisa dibaca di file header: /usr/include/asm/unistd.h. Berikut adalah cuplikan isi dari file unistd.h

Dalam contoh hello world kita memanfaatkan system call nomor 4 (write) dan nomor 1 (exit). Untuk mengetahui cara pemakaian dan argumen untuk system call tersebut, kita bisa gunakan man di Linux.

Dari manual system call write meminta 3 argument: yaitu file descriptor bertipe integer, alamat memori tempat string berada, dan terakhir adalah panjang string bertipe integer. Ketika argumen tersebut disimpan dalam register mulai dari EBX, ECX dan EDX. Argumen pertama di EBX, argumen kedua di ECX dan ketiga di EDX. Register EAX dipakai untuk menyimpan nomor system call. Dari manual system call exit meminta 1 argument: yaitu kode status bertipe integer yang disimpan dalam register EBX.

Dalam contoh hello world di atas kita menggunakan 3 intruksi assembly yaitu MOV, XOR dan INT. Mari kita bahas intstruksi tersebut.

Instruksi MOV

Kita menggunakan MOV untuk menyalin data dari sumber ke tujuan. Sumber dan tujuan bisa alamat memori, atau register. Perhatikan contoh berikut:

Perbedaan antara sintaks NASM dan AT&T adalah arah pengkopian. Dalam sintaks NASM, tujuan ada pada operand pertama, sedangkan dalam sintaks AT&T tujuan adalah operand ke-2.

Instruksi XOR

Instruksi XOR digunakan untuk melakukan operasi logika Xclusive OR. XOR akan menghasilkan 0 bila kedua operandnya sama, dan menghasilkan 1 bila tidak sama. XOR ini biasanya dipakai untuk membuat register menjadi 0 dengan melakukan XOR untuk operand yang sama seperti pada contoh hello world tersebut.

Instruksi INT

Instruksi INT digunakan untuk mengirim sinyal interrupt ke prosesor. Dalam contoh di atas kita memakai interrupt nomor 80 hexa untuk meminta layanan dari kernel.

Contoh Lain: Hello World X Times

Kali ini kita akan memodifikasi program hello world di atas agar bisa menampilkan pesan yang sama berkali-kali tergantung dari argumen yang dimasukkan user.

Simpan source code di atas dengan nama helloxtimes.asm, lalu compile dan link seperti di bawah ini.

Kita belajar beberapa instruksi baru dalam contoh ke-2 ini, yaitu looping, penggunaan argumen dan prosedur, sedangkan system call yang dipakai tetap sama, yaitu write() dan exit().

Program kali ini menerima argumen berupa integer 1-9 yang dipakai sebagai counter berapa kali pesan akan muncul di monitor. Argumen ini diambil dari stack dengan instruksi POP. Pada puncak stack ada argc, yaitu jumlah argumen ketika program dijalankan. Di bawahnya berisi address dari argv[0] yaitu nama program. Kemudian di bawahnya lagi baru berisi address dari argv[1] yaitu parameter/argumen pertama. Perhatikan pada baris ke-6 s/d baris ke-8 ada instruksi POP EAX sebanyak tiga kali. Ini dilakukan karena yang diperlukan ada pada posisi ke-3 sehingga kita harus membuang 2 elemen di puncak sebelum bisa mengambil address argv[1]. Address argumen ke-1 diambil dari POP lalu disimpan dalam register EAX. Karena bentuknya masih string, maka harus diubah dulu menjadi integer dengan memanggil prosedur stringtoint pada baris ke-9.

Ketika program dijalankan dengan satu argumen seperti “./helloxtimes 7”. Maka jumlah argumen (argc) akan berisi 2, yaitu nama program itu sendiri, dan satu argumennya. ARGC akan disimpan pada puncak stack, dan elemen di bawahnya berisi alamat memori dari nama program, dan dibawahnya lagi berisi alamat memori dari argumen pertama. Perhatikan gambar di atas yang menunjukkan proses pengambilan alamat memori berisi string argumen pertama dari stack. Dalam contoh tersebut argumen adalah string “7”, yaitu karakter berkode ASCII 37 hexa diikuti dengan ASCII 0 (karakter NULL). Alamat memori berisi string argumen pertama itu diambil dari stack dan disimpan di register EAX.

Pada prosedur stringtoint, register EAX berisi address string yang akan diubah menjadi integer. Kita hanya mengambil karakter pertama saja, pada baris ke-35 dengan instruksi MOV, isi memori pada address yang ditunjuk oleh EAX dicopy ke register BL.

*)“MOV EBX, [EAX]” berbeda dengan “MOV EBX,EAX”. MOV EBX,[EAX] berarti menyalin isi memori pada alamat yang disimpan di EAX ke dalam register EBX. Sedangkan MOV EBX,EAX berarti menyalin isi register EAX ke register EBX

Saya menggunakan register BL karena kode ASCII lebarnya hanya 8 bit. Bila benar berisi angka, maka register BL akan berisi nilai 30h-39h (kode ascii untuk “0”-“9”). Setelah itu register BL dikurangi dengan 30h untuk mendapatkan nilai dari 0-9. Setelah itu hasilnya ditambahkan ke register ECX sehingga kembali dari prosedur ini dengan nilai integer hasil konversi di register ECX.

Setelah mendapatkan nilai argumen bertipe integer di register ECX, selanjutnya ECX ini perlu diselamatkan dulu dalam stack (baris 12) sebab ECX akan dipakai dalam prosedur _print_hello (baris 13). ECX dipakai sebagai alamat string msg ketika memanggil system call write(). Setelah kembali dari prosedur _print_hello, nilai ECX perlu dikembalikan seperti semula dengan POP ECX (baris 14) sebab akan dipakai sebagai counter dalam LOOP (baris 15). Ketika menjalankan instruksi LOOP, register ECX akan dikurangi 1, kemudian bila ECX > 0 maka program akan lompat ke _print. Bila ECX bernilai 0, maka loop berhenti dan menjalankan system call exit(0).

Setelah memahami cara kerja program contoh ke-2 itu. Sekarang mari kita bahas instruksi baru yang ada di sana: CALL, RET, PUSH, POP, LOOP.

Instruksi PUSH dan POP

Instruksi PUSH digunakan untuk menyimpan nilai ke dalam stack. Kebalikannya adalah instruksi POP untuk mengambil nilai dari stack. Stack dalam Linux membesar ke alamat memori yang lebih rendah. Puncak stack ada di alamat rendah, sedangkan dasar stack ada di alamat yang lebih tinggi.

Struktur Data Stack

Stack adalah struktur data yang mirip seperti tumpukan piring. Data yang diambil dari stack adalah data yang dimasukkan terakhir, atau istilahnya adalah LIFO (last in first out). Jadi kalau kita ingin mengambil data di tengah-tengah tumpukan, caranya adalah dengan mengambil dulu data dari puncak sampai habis, sehingga data yang kita inginkan berada di puncak stack.

Reguster ESP menunjukkan alamat memori dari puncak stack. Setiap ada instruksi PUSH, maka register ESP berkurang (ingat stack bertumbuh ke alamat yang makin mengecil) karena puncak stack berubah. Begitu pula bila sebaliknya bila ada instruksi POP, maka register ESP akan bertambah.

PUSH EAX di atas sama dengan dua instruksi di bawah ini:

PUSH EAX (4 byte) bisa dilakukan dengan mengurangkan ESP dengan 4, kemudian menyalin isi EAX ke memori di lokasi SS:[ESP], yaitu di segment stack pada offset yang ditunjuk oleh ESP. DWORD PTR menunjukkan bahwa lebar data yang akan disalin ke memori dalam instruksi MOV itu selebar 4 byte.

POP EAX di atas sama dengan dua instruksi di bawah ini:

POP EAX (4 byte) bisa dilakukan dengan menyalin isi memori di lokasi SS:[ESP], yaitu di segment stack pada offset yang ditunjuk oleh ESP ke register EAX, lalu menambahkan ESP dengan 4. DWORD PTR menunjukkan bahwa lebar data yang akan disalin ke memori dalam instruksi MOV itu selebar 4 byte.

Instruksi CALL dan RET

Instruksi CALL digunakan untuk memanggil sebuah prosedur. Sedangkan RET dipakai untuk kembali dari prosedur kembali ke lokasi setelah instruksi pemanggilan. Ketika instruksi CALL dijalankan, prosesor menyimpan alamat instruksi sesudah instruksi CALL ke dalam stack (return address), kemudian prosesor lompat ke alamat subroutine yang dituju. Ketika instruksi RET dijalankan, maka prosesor mengambil (POP) return address (alamat yang di-push ketika CALL), kemudian loncat ke alamat tersebut.

Instruksi LOOP

LOOP digunakan untuk melakukan looping sejumlah nilai yang ada pada register ECX. Ketika ada instruksi LOOP, prosesor akan mengurangi nilai ECX dengan 1, kemudian membandingkan hasilnya. Bila nilai ECX sekarang masih > 0, maka prosesor akan loncat ke alamat yang ditunjuk dalam LOOP. Bila nilai ECX sekarang menjadi 0, prosesor tidak akan loncat, tapi melanjutkan mengerjakan instruksi selanjutnya setelah LOOP.

Instruksi tunggal “LOOP address” ekivalen dengan 2 instruksi assembly berikut:

Pada gambar di atas ada dua kondisi yang mungkin yaitu ECX > 0 atau ECX = 0. Mungkin ada yang bertanya, lho bagaimana dengan kondisi ECX < 0 ? Ingat komputer hanya mengenal 2 simbol, yaitu 0 dan 1, jadi pada dasarnya tidak ada “-1” atau “-0” dalam representasi binary. Bilangan negatif direpresntasikan dengan pengkodean two-complement, silakan baca di signed number representation karena itu diluar topik yang kita bahas sekarang.

Bila ECX bernilai 0 sebelum mengerjakan instruksi LOOP, maka yang terjadi adalah program akan looping sebanyak 0xFFFFFFFF atau 4.294.967.295 kali. Hal ini terjadi karena 0 – 1 = -1 yang dalam binary adalah 0xFFFFFFFF dengan sistem two-complement.