Замечания о синтаксисе

01.01.2007

Глава 2: Замечания о синтаксисе

В этой главе, мы рассмотрим синтаксические требования, которые вам требуется знать. Если вы использовали отдельный ассемблер, то вы заметили, что встроенный ассемблер в Дельфи 1-5 поддерживает только относительно небольшой набор возможностей языка. Эта ситуация была улучшена с выходом Дельфи 6, теперь компилятор распознает набор MMX, SIMD и SSE инструкций (так же и Enhanced 3D для AMD CPU, но данная статья сфокусирована только на Intel, и мы не будем обсуждать это в дальнейшем). С другой стороны, это также дает возможность использовать некоторые OP конструкции внутри ассемблерного кода.

2.1. Инструкции и команды

Ваш код на ассемблере состоит из нескольких выражений. Каждая инструкция состоит как минимум из одной команды. В большинстве случаев, вам потребуется использовать от одного до нескольких операндов. Операнды разделяются символом запятой. Также в инструкции могут использоваться префиксы (например, rep или lock). Наконец, инструкция может включать метку (смотрите ниже рассуждения о метках).

Примеры допустимых инструкций:

cdq {только команда}

bswap EAX {команда и один операнд}

mov EAX,[ESI] {команда и два операнда}

imul EAX,ECX,16 {команда и триа операнда}

rep movsd {префикс и коаднда }

@@Start: rep stosd {локальная метка, префикс и команда }

Разрешено помещать несколько инструкций в одной строке, разделяя их точкой с запятой, Но я настоятельно не рекомендую так делать. Это сильно снижает читабельность вашей программы, и не добавляет при этом никакой эффективности, повышения скорости или каких-либо других преимуществ. При использовании по одной инструкции в строке не требуется ставить точку с запятой в конце строки (как это требуется для обычного Паскаль кода).

Комментарии могут быть добавлены в конце строки, но не могут размещаться внутри инструкции.

2.2. Набор команд

Встроенный ассемблер Дельфи 2-5 поддерживает только подмножество команд процессора Intel 80486 (документация по Дельфи 3 вообще утверждает, что только 80386, но дополнительные инструкции процессора 80486, например bswap, xadd, cmpxchg, fstsw ax, и другие в действительности распознаются и обрабатываются корректно). Тем не менее, специфические команды Pentium, например cpuid или условные перемещения из Pentium Pro, PII и PIII, не распознаются встроенным ассемблером в этих версиях. В Дельфи 6, поддержан полный набор команд от Pentium I до IV. Включая специальные расширения MMX, SSE и другие. Это действительно серьезное улучшение, поскольку в более ранних версиях приходилось их кодировать вручную с помощью инструкций db (см. ниже). Это было довольно неприятно, так как эти инструкции особо интересны для специальных случаев.

Если вы желали использовать эти инструкции в Д2-Д5, то должны были вставлять их вручную с помощью серии инструкций db. Ясно, что вы не только должны были быть очень осторожны при вставке их в код, избегая ошибок, но и также особо комментировать эти строки. Со следующей ссылки вы можете загрузить .pas, который содержит исходный текст класса TCPUID, в котором интенсивно используется ассемблер, и в котором инструкция cpuid закодирована с помощью инструкций db. Нажмите здесь для загрузки cpuinfo.pas с сайта автора или с текущего каталога в формате cpuinfo.zip.

Вы должны проштудировать исходный код cpuinfo.pas, обратив особое внимание на функцию GetCPUIDResult, которая написана полностью на basm. Программа вызывает cpuid для различных уровней ID, которые поддержаны и заполняет запись типа TCPUIDResult полученной информацией. Данный тип записи используется в методах класса TCPUID. Заметим, что все поля записи TCPUIDResult адресуются через их имена, вместо расчета смещения. Компилятор сам рассчитывает смещение, так что если структура записи будет изменена, то код будет продолжать работать корректно.

Заметим, что команда cpuid уничтожает содержимое всех нормальных регистров, так что требуется особая осторожность при работе с ними. При этом так же сбрасываются все конвейеры, и ожидается окончание работы всех оставшихся инструкций, поэтому вы не должны использовать это в критических ситуациях. После выполнения инструкции cpuid, все нормальные регистры, включая EAX и другие, будут изменены.

Полное описание набора команд процессоров можно найти на сайте фирмы Intel http://developer.intel.com. Как я заметил во введении, данная статья посвящена только процессорам фирмы Intel не только, поскольку они самые распространенные, но и потому что они являются стандартом де-факто для набора команд процессора и сопроцессора. Некоторые другие производители имеют в составе своих процессоров дополнительные команды, но поскольку они присутствуют только в их процессорах, вы не должны пытаться их использовать, чтобы ваши приложения могли работать на более широком спектре систем. Другим решением является иметь различные варианты критичных по времени кусков кода, оптимизированные для различных процессоров. В начале вашей программы вы должны проверить тип процессора и установить глобальный флаг, который будет указывать, какую версию использовать.

Аналогичный вопрос: какой минимальный набор инструкций должен быть в вашей программе, что бы она могла работать на 80486 или более ранних процессорах. Конечно, 80486 и более старые процессоры уже устарели и, как минимум, стоит ориентировать вашу программу на Intel Pentium Plain или выше. Тем не менее, если выбрать более новую модель, как базис, например Pentium II и выше, то вы игнорируете многие компьютеры с Pentium Plain и Pentium MMX, которые еще в ходу. Если вы выберите минимум как Pentium II, то вы сможете получить преимущества от дополнительных инструкций, таких как условные перемещения. Так же, в данном случае проще написать кусок кода, который будет поддерживать все платформы. Если вы решили включить поддержку Pentium Plain и MMX CPU, чтобы быть более осведомленным в других вещах, таких как парность команд, различные особенности по предсказанию переходов и т.д. Все это можно изучить в деталях в превосходном руководстве от Agner Fog на сайте http://www.agner.org/assem/, но давайте начнем, ниже несколько основных правил.

2.2.1. Не используйте комплексные команды

В большинстве случаев, комплексные строковые инструкции очень медленны и должны быть заменены оптимизированным циклом с простыми инструкциями. Без префикса rep, комплексные инструкции вообще за пределами вопроса. Только при определенных специфических условиях инструкции rep movsd и rep stosd могут быть быстрее, но только при условии, что оба адреса, приемник и источник, выровнены на границу восьми байт и при этом не должно быть конфликтов в кэше, и в свете того, что в данный момент Дельфи не дает возможности управлять выравниванием, вы не должны их использовать.

2.2.2. Используйте 32-битные алгоритмы, везде, где только возможно

Если только невозможно иначе, то вы не должны использовать инструкции, которые оперируют словами, более правильно использовать те, которые работают с переменными типа двойное слово. Байтовый доступ еще может иногда использоваться, но остерегайтесь использовать операции со словами. Ниже пример использования 32-битного алгоритма для поиска символа в строке. Идея основана на генерации уникального значения, если и только если символ найден. Поскольку пример обрабатывает строку по четыре байта за раз, то это значительно быстрее, чем обработка по одному байту за раз, несмотря на дополнительное усложнение, поскольку требуется обрабатывать сразу четыре байта.

function ScanStrForChar(C: Char; S: String): Integer; register;
asm
push EBX
push EDI
push ESI
test EDX,EDX
jz @notfound
mov ESI,[EDX-4]
test ESI,ESI
jz @notfound
add ESI,EDX
mov ah,al
mov di,ax
shl EDI,16
or di,ax
mov EAX,EDX
lea EDX,[EAX+3]
@L1:cmp EAX,ESI
ja @notfound
mov EBX,[EAX]
xor EBX,EDI
add EAX,4
lea ECX,[EBX-$01010101]
not EBX
and ECX,EBX
and ECX,$80808080
jz @L1
mov EBX,ECX
shr EBX,16
test ECX,$8080
jnz @L2
mov ECX,EBX
@L2:lea EBX,[EAX+2]
jnz @L3
mov EAX,EBX
@L3:shl cl,1
sbb EAX,EDX
inc EAX
@ending:pop ESI
pop EDI
pop EBX
ret
@notfound:xor EAX,EAX
jmp @ending
end;

В зависимости от длины обрабатываемых строк, функция может быть быстрее стандартной функции pos раза в два. Заметим, что должна прочитать от одного до трех символов в конце строки, но в текущей версии компилятор всегда размещает строки по модулю четыре, так что, это не приносит проблем, но нельзя гарантировать, что в следующих версиях это будет так же. Вы можете устранить эту проблему, путем расчета остатка символов в конце строки по модулю четыре и обработать остаток побайтно. Вы потеряете некоторое быстродействие, но выиграете в надежности. Заметим, что компилятор добавляет одну или несколько инструкций ret после jmp @ending. Но они никогда не будут выполнены, поскольку мы включили инструкцию ret сами.

Вы должны избегать подобных вещей, поскольку если нужен фрейм стека, то вы должны будете сами написать код выхода (см. главу 1.2, где рассмотрены коды входа и выхода). В вышеприведенном примере нет фрейма стека, так что нет нужды и в коде выхода. Вы можете избежать этой проблемы, путем добавления инструкции jmp для условия, когда символ не найден, это просто пропустит установку результата в ноль, если строка пустая или символ не найден. После этого пример будет выглядеть так:

... shl cl,1sbb EAX,EDXinc EAXjmp @ending@notfound:xor EAX,EAX@ending:pop ESIpop EDIpop EBX
end;

Но, в этом случае вы будете вынуждены всегда добавлять дополнительную инструкцию jmp в ваш алгоритм, который немного от этого замедлится. Если вы обрабатывает достаточно длинные строки, то это почти незаметно на общем процессе обработке, и добавленный код может быть субъектом для оптимизации в дальнейшем, когда это станет важным.

2.2.3. Избегайте деления

Деление, как правило, более медленное - заменяйте его сдвигами или умножением с соответствующим значением.

2.2.4. Замечания по особым инструкциям

Битовые инструкции (bt, btc, bts, btr) должны по возможности заменяться на инструкции and, or, xor и test, когда приоритетом является скорость.

Избегайте инструкции wait. На старых процессорах инструкция wait была нужна для синхронизации доступа к памяти и уверенности, что сопроцессор был готов к выполнению операции. На процессорах Pentium это абсолютно лишнее. Единственная причина использования инструкции wait это отлов исключения из предыдущей инструкции. Сейчас большинство инструкций сопроцессора, отлавливают исключение без инструкции wait (исключая fnclex и fninit), вы можете опускать инструкцию wait в большинстве случаев. Если бит исключения устанавливается, то следующая инструкция с плавающей запятой отлавливает это. Если вы хотите быть уверенным, что любые, необслуженные исключения, были обработаны до окончания процедуры, то вы можете добавить инструкцию wait после критического по времени куска, что обработает все необслуженные исключения.

2.3. Метки

Имеется два типа меток, которые вы можете использовать в BASM: обычные Паскаль метки и локальные метки. Обычные метки требуется объявлять в секции label. Вторые начинаются с символа @. Поскольку символ @ не может быть частью идентификатора Object Pascal, то вы можете использовать локальные метки только внутри блока asm...end. Иногда, вы видите метки с двумя символами @. Этому есть объяснение. Я использую это для привлечения внимания, но это не требуется (некоторые ассемблеры используют @@ для идентификации особого класса меток, например @@: для анонимных меток). Метки автоматически объявляются написанием идентификатора и добавлением символа двоеточия в конце (@loop: или MyLoopStartsHere:). Для ссылки на такую метку, просто используйте идентификатор в выражении (естественно без двоеточия). Пример, как использовать локальную метку для организации цикла:

mov ECX,{Counter}
@loop:
... {команды цикла}
dec ECX
jnz @loop

Для того, что бы превратить локальную метку в обычную, сделайте так:

label MyLoop;
 
asm...mov ECX,{Counter}
Myloop:... {команды цикла}dec ECXjnz MyLoop...
end;

Ни один из этих типов не лучше, чем другой. Нет никаких преимуществ ни в скорости, ни в размере кода, поскольку метки - это только указатель для компилятора для расчета смещений и переходов. Различие между нормальными и локальными метками больше в стиле программирования в Паскале. В действительности, даже нормальные метки, по сути, являются локальными, поскольку вы не можете перейти на метку за пределами текущей функции или процедуры. Все бы хорошо, если бы одно "но". Инструкция jmp в ассемблере более применима, чем команда Goto в Паскале (Если вы используете команду Goto без нужды в Паскале, то это является признаком плохого программирования. Всегда можно спроектировать ваш код без использования Goto), но также всегда вы должны искать пути для реализации алгоритма с минимальным использованием инструкций перехода (что, важно с точки зрения производительности).

2.4. Определение данных и констант

(Данная глава еще находится в стадии разработки...) Встроенный ассемблер поддерживает три директивы объявления данных, db-dw-dd (четыре в Дельфи 6: dq "четыре слова"), но в основном вы используете секции объявления var и const в вашем коде. Директивы определения данных могут использоваться только внутри asm…end блока, для генерации последовательностей байтов (db), слов (dw) и двойных слов (dd) соответственно (или четырех слов, dq, только Дельфи 6). Эти данные записываются в кодовый сегмент, и вы должны их изолировать с помощью инструкции перехода jmp от остального кода. Все это немного излишне, но вы можете использовать db, dw и dd для генерации инструкций, процессора, которые basm не поддерживает, например условные пересылки или MMX инструкции в Дельфи версий 2-5. В главе 2.2 я дал пример использования их для генерации кода инструкции cpuid. Директивы определения не могут использоваться для определения типов данных, так как в трансляторах masm или tasm. Для этого вы должны использовать обычные команды Паскаля.