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Assembly Spickzettel

Low-Level-Assemblersprache x86-64 (Intel/NASM-Syntax) für Systeme, Performance und Bare-Metal-Programmierung.

01

Register und Datenbewegung

Registerübersicht

x86-64 hat 16 allgemeine 64-Bit-Register. Das Schreiben in ein 32-Bit-Unterregister (z. B. eax) erweitert die oberen 32 Bits des vollständigen Registers mit Nullen; das Schreiben in 16/8-Bit-Unterregister lässt die oberen Bits unverändert.

assembly
; General-purpose 64-bit registers (x86-64)
; rax, rbx, rcx, rdx         — main accumulators / scratch
; rsi, rdi                    — source/destination index (string ops)
; rbp, rsp                    — base pointer / stack pointer
; r8  .. r15                  — extended registers
; 32-bit: eax, 32-bit: ecx, 16-bit: ax, 8-bit: al/ah

mov rax, 42        ; load immediate into 64-bit register
mov eax, 0x1F      ; 32-bit move (zero-extends to rax)

mov — Daten bewegen

mov kopiert Daten zwischen Registern, Speicher und Immediate. Speicher-zu-Speicher-Bewegungen sind nicht erlaubt — über ein Register leiten. Geben Sie bei Mehrdeutigkeit immer die Größe an (byte/word/dword/qword), z. B. mov dword [rsp], 1.

assembly
mov rax, 60          ; immediate  -> register
mov rbx, rax         ; register   -> register
mov qword [rsp-8], 7 ; immediate  -> memory (qword = 8 bytes)
mov rcx, [rsp-8]     ; memory     -> register

; INVALID: mov [rsp-8], [rsp-16]  (memory-to-memory not allowed)
; Use two steps: mov rax, [src]; mov [dst], rax

lea — Load Effective Address

lea berechnet die Adresse eines Speicheroperanden ohne darauf zuzugreifen. Häufig als schnelle Arithmetikanweisung (Multiplikation mit 5/3/9 via Skala+Index) und zum Adressieren von Stackvariablen oder Datenlabels genutzt.

assembly
; Compute address without dereferencing
lea rax, [rbx + rcx*8 + 16]   ; rax = rbx + rcx*8 + 16

; Common idiom: fast arithmetic (no memory access)
lea rax, [rax + rax*4]        ; rax *= 5  (rax = rax + rax*4)

; Pointer into a buffer
lea rsi, [buffer]             ; rsi = address of buffer
lea rdi, [rsp + 32]           ; rdi = address of stack slot

push / pop — Stackoperationen

push dekrementiert rsp um 8 und speichert den Wert; pop lädt und inkrementiert rsp. Im System-V-AMD64-ABI gehen die ersten 6 Integer-Argumente in rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 — push dient hauptsächlich zum Sichern callee-saved Register (rbx, rbp, r12-r15).

assembly
push rax       ; rsp -= 8; [rsp] = rax
push qword 42  ; push immediate
pop rbx        ; rbx = [rsp]; rsp += 8

; Save/restore callee-saved registers
push rbx
push r12
; ... function body ...
pop r12
pop rbx
ret

; Push arguments in reverse (C calling convention)
push 3
push 2
push 1

xchg / xadd — Atomarer Austausch

xchg mit Speicheroperand ist immer atomar (implizite Sperre). xadd kombiniert Austausch und Addition. Zusammen mit lock cmpxchg bilden sie die Grundlage sperrenfreier Synchronisationsprimitive.

assembly
; xchg swaps two operands (implicitly LOCKed with memory)
xchg rax, rbx          ; swap register/register
xchg [counter], rcx    ; swap memory/register (atomic)

; xadd: swap then add (returns old value in src)
; lock xadd [counter], rax   ; atomic fetch-and-add

; Spinlock idiom
spin:
  xor eax, eax
  lock cmpxchg [lock_var], 1  ; if [lock_var]==0, set to 1
  jnz spin                     ; retry if not acquired

movzx / movsx — Null-/Vorzeichenerweiterung

movzx erweitert einen kleineren Wert mit Nullen in ein größeres Register (vorzeichenlose Last). movsx erweitert mit Vorzeichen. Verwenden Sie movsxd, um einen 32-Bit-Wert mit Vorzeichen in ein 64-Bit-Register zu laden.

assembly
; movzx: zero-extend (unsigned)
movzx rax, byte [rsi]    ; load byte, zero-extend to 64-bit
movzx eax, word [rdi]    ; load word, zero-extend to 32-bit

; movsx: sign-extend (signed)
movsx rax, byte [rsi]    ; sign-extend byte to 64-bit
movsx rax, dword [rdi]   ; sign-extend 32-bit to 64-bit (movsxd)
02

Arithmetik und Logik

add / sub — Ganzzahlarithmetik

add/sub setzen CF, OF, SF, ZF, PF und AF. Mit jc/jo vorzeichenlose/vorzeichenbehaftete Überläufe erkennen. Subtrahieren von rsp allokiert Stackplatz — rsp gemäß ABI vor Calls 16-Byte-ausgerichtet halten.

assembly
add rax, rbx      ; rax = rax + rbx
add rax, 10       ; rax = rax + 10
sub rcx, rdx      ; rcx = rcx - rdx
sub rsp, 32       ; allocate 32 bytes of stack (align!)

; 64-bit addition with carry check
add rax, rbx
jc .overflow      ; jump if unsigned overflow (CF=1)

imul / idiv — Multiplizieren und Dividieren

Zweioperanden-imul ist die häufige Form — behält nur die unteren 64 Bits. Für volle Breite verwenden Sie Ein-Operanden mul/imul (Ergebnis in rdx:rax). Vor idiv mit cqo Vorzeichen des Dividenden erweitern; für unsigned div rdx mit xor rdx,rdx nullen.

assembly
; Two-operand imul (most common): dst = dst * src
imul rax, rbx        ; rax = rax * rbx (lower 64 bits)
imul rcx, 10         ; rcx = rcx * 10

; One-operand: rdx:rax = rax * src (full 128-bit)
mul  rbx             ; unsigned: rdx:rax = rax * rbx
imul rbx             ; signed:   rdx:rax = rax * rbx

; idiv: signed divide rdx:rax by src
; Must sign-extend rax into rdx:rax first!
cqo                  ; sign-extend rax -> rdx:rax
idiv rcx             ; rax = rdx:rax / rcx, rdx = remainder

; Unsigned: use div (zero rdx first)
xor rdx, rdx
div  rcx             ; rax = rdx:rax / rcx, rdx = remainder

inc / dec / neg

inc und dec aktualisieren NICHT das Carry-Flag (CF) — erlaubt Verwendung in mehrstelligen Add/Sub-Ketten. Sie aktualisieren ZF/SF/OF. neg berechnet Zweierkomplementnegation und setzt CF=1, außer der Operand war 0.

assembly
inc rax          ; rax++  (does NOT affect CF!)
dec rcx          ; rcx--  (does NOT affect CF!)
neg rdx          ; rdx = -rdx  (two's complement negate)

; Common loop pattern
mov rcx, 10
.loop:
  ; ... loop body ...
  dec rcx
  jnz .loop       ; repeat until rcx == 0

and / or / xor / not / test

xor reg,reg ist die idiomatische Art, ein Register zu nullen (kürzere Codierung als mov reg,0). test a,a entspricht and a,a, verwirft aber das Ergebnis. and/or/xor löschen CF und OF.

assembly
and rax, 0xFF    ; mask low byte (rax &= 0xFF)
or  rcx, 0x10    ; set bit 4
xor rdx, rdx     ; rdx = 0 (idiomatic zeroing)
xor rax, rax     ; clear rax (shorter than mov rax,0)
not r8           ; bitwise NOT (one's complement)
test rax, rax    ; set flags from rax & rax (checks zero/sign)
test rcx, 0x1    ; test if low bit set (odd/even check)

shl / shr / sar — Schiebeoperationen

shl/shr sind logische Schieben (Nullfüllung); sar erhält das Vorzeichenbit (arithmetisch). Multiplizieren/Dividieren durch Zweierpotenzen via Schieben ist viel schneller als imul/idiv. Die Zählweite wird auf 5 oder 6 Bits maskiert.

assembly
shl rax, 4       ; logical left shift  (rax *= 16)
shr rax, 3       ; logical right shift (unsigned rax /= 8)
sar rax, 3       ; arithmetic right shift (signed rax /= 8)

; Rotate (carry not involved)
rol rax, 4       ; rotate left
ror rax, 4       ; rotate right

; Shift by CL (only low 5 bits used in 64-bit mode)
mov cl, 4
shl rax, cl      ; shift left by 4
03

Kontrollfluss und Verzweigungen

cmp / test — Vergleichen

cmp setzt Flags wie eine Subtraktion ohne Speichern. Für Vergleiche mit Vorzeichen je/jne/jl/jg/jle/jge; ohne Vorzeichen jb/ja/jbe/jae. Verwechslung ist ein klassischer Bug — jl testet SF!=OF, jb testet CF.

assembly
cmp rax, rbx     ; compute rax - rbx, set flags (discard result)
cmp rax, 10      ; compare with immediate

; Signed comparisons
cmp rax, rbx
je  .equal       ; jump if rax == rbx        (ZF=1)
jl  .less        ; jump if rax <  rbx signed (SF!=OF)
jg  .greater     ; jump if rax >  rbx signed (ZF=0 and SF==OF)
jle .le          ; jump if rax <= rbx signed
jge .ge          ; jump if rax >= rbx signed

; Unsigned comparisons (use 'below'/'above' mnemonics)
cmp rax, rbx
jb  .below       ; rax <  rbx unsigned (CF=1)
ja  .above       ; rax >  rbx unsigned (CF=0 and ZF=0)
jbe .be          ; rax <= rbx unsigned
jae .ae          ; rax >= rbx unsigned

jmp — Unbedingter Sprung

jmp führt einen unbedingten Sprung aus. Bedingte Sprünge (jcc) testen durch cmp/test/Arithmetik gesetzte Flags. Im 64-Bit-Modus erreichen bedingte Nearsprünge ±2 GB. Indirekte Sprünge ermöglichen Switch/Case-Sprungtabellen.

assembly
; Direct jump to a label
jmp .end

; Conditional jumps (short/near, 64-bit allows near)
.loop:
  dec rcx
  jnz .loop        ; jump if ZF=0 (rcx != 0)

; Indirect jump through register/memory (jump table)
lea rax, [table]
mov rdi, [rax + rbx*8]
jmp rdi            ; jump to address in rdi

; Jump table example (switch statement)
table: dq .case0, .case1, .case2, .case3

Häufige bedingte Sprünge

Es gibt viele Synonyme (je==jz, jb==jc==jnae). Die Unterscheidung vorzeichenbehaftet (l/g) vs. vorzeichenlos (b/a) ist kritisch: jl/jg testen SF und OF; jb/ja testen CF. Verwenden Sie vorzeichenbehaftete Formen nach Vergleich vorzeichenbehafteter Integers.

assembly
; After cmp/test:
je  / jz   ; jump if equal / zero        (ZF=1)
jne / jnz  ; jump if not equal / nonzero (ZF=0)

; Signed
jl / jnge  ; less            (SF!=OF)
jge / jnl  ; greater-or-equal (SF==OF)
jle / jng  ; less-or-equal   (ZF=1 or SF!=OF)
jg  / jnle ; greater         (ZF=0 and SF==OF)

; Unsigned
jb / jnae / jc  ; below / carry       (CF=1)
jae / jnb / jnc ; above-or-equal      (CF=0)
jbe / jna       ; below-or-equal      (CF=1 or ZF=1)
ja  / jnbe      ; above               (CF=0 and ZF=0)

; Special
js  ; jump if sign     (SF=1)
jns ; jump if not sign (SF=0)
jo  ; jump if overflow (OF=1)
jno ; jump if no overflow (OF=0)

Schleife mit loop

loop dekrementiert rcx und springt, wenn rcx!=0. Zwar praktisch, aber auf modernen CPUs langsamer als ein dec/jnz-Paar, daher geben Compiler dec/jnz aus. loope/loopz erfordern zusätzlich ZF=1; loopne/loopnz erfordern ZF=0.

assembly
; loop: dec rcx then jump if rcx != 0
mov rcx, 5
.loop:
  ; ... body executes 5 times ...
  loop .loop

; loope/loopz: loop while equal/zero
; loopne/loopnz: loop while not equal/not zero

; Modern compilers prefer dec + jnz (loop is slower on many CPUs)
mov rcx, 5
.loop:
  ; ...
  dec rcx
  jnz .loop

cmov — Bedingte Verschiebung

cmovcc führt eine bedingte Verschiebung aus — verzweigungsfreier Code, der Strafen für Fehlvorhersagen vermeidet. Das Ziel muss ein Register sein. cmov wertet immer beide Quelloperanden aus, vermeiden Sie es bei Nebenwirkungen.

assembly
; cmovcc: move only if condition is true (branchless)
cmp rax, rbx
cmovl rax, rbx    ; if rax < rbx (signed), rax = rbx  -> rax = min(a,b)

; max(a, b)
cmp rax, rbx
cmovl rax, rbx    ; rax = max(rax, rbx)? No: if rax<rbx, set rax=rbx -> max

; Branchless abs:
; abs(x): mask = x >> 63; result = (x ^ mask) - mask
mov rax, rdi
sar rdi, 63       ; all 1s if negative, 0 if positive
xor rax, rdi
sub rax, rdi      ; rax = |original rdi|
04

Stack, Funktionen und Aufrufkonvention

Funktionsprolog und -epilog

Der Standardprolog sichert rbp, setzt rbp als Frame-Pointer und allokiert Locals durch Subtrahieren von rsp. leave ist ein 1-Byte-Epilog, äquivalent zu mov rsp,rbp; pop rbp. Das System-V-AMD64-ABI verlangt rsp 16-Byte-ausgerichtet am Call-Punkt.

assembly
; System V AMD64 calling convention (Linux/macOS)
; Args: rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 (then stack)
; Return: rax. Callee-saved: rbx, rbp, r12-r15

my_func:
    push rbp
    mov  rbp, rsp        ; standard prologue
    sub  rsp, 32         ; allocate locals (keep 16-byte aligned)

    ; ... function body ...

    mov  rsp, rbp        ; or: leave
    pop  rbp             ; standard epilogue
    ret

; Compact form using leave
my_func2:
    push rbp
    mov  rbp, rsp
    sub  rsp, 16
    ; ...
    leave               ; mov rsp,rbp; pop rbp
    ret

call / ret — Aufrufen und Zurückkehren

call legt die Rückkehradresse (8 Byte bei 64 Bit) auf den Stack und springt zum Ziel; ret holt sie in rip. Für Endaufrufe verwenden Sie jmp, damit der Aufgerufene direkt zum Aufrufer zurückkehrt — erhält den Stack und ermöglicht Endaufrufoptimierung.

assembly
; call pushes return address, then jumps
call my_func

; ret pops return address into rip
my_func:
    ; ...
    ret

; Call with arguments (System V AMD64)
mov rdi, 1     ; 1st arg
mov rsi, 2     ; 2nd arg
mov rdx, 3     ; 3rd arg
call add_three ; result in rax

; Tail call: jmp instead of call+ret
my_wrapper:
    jmp target_func   ; reuses our return address

Blattfunktionen und Red Zone

Das System-V-AMD64-ABI reserviert eine 128-Byte-„Red Zone“ unter rsp, die Blattfunktionen (ohne Calls) ohne rsp-Anpassung nutzen können. Windows x64 hat KEINE Red Zone. Blattfunktionen brauchen oft gar keinen Prolog.

assembly
; Leaf function (no calls) can use the red zone:
; 128 bytes below rsp that won't be clobbered by signals/interrupts
leaf_sqrt_sum:
    ; rdi, rsi = args, rax = result
    mov rax, rdi
    add rax, rsi
    ret             ; no prologue needed!

; Non-leaf functions MUST save rsp properly because
; a call would write into the red zone.
; Red zone is NOT honored on Windows x64.

Lokale Variablen und Stackframe

Mit Frame-Pointer (rbp) werden Locals über [rbp - Offset] und Stack-Argumente über [rbp + Offset] angesprochen. Compiler lassen den Frame-Pointer oft weg und referenzieren Locals direkt über rsp.

assembly
my_func:
    push rbp
    mov  rbp, rsp
    sub  rsp, 32          ; 32 bytes for locals

    ; Local variables accessed via [rbp - offset]
    mov qword [rbp-8],  10   ; local1
    mov qword [rbp-16], 20   ; local2

    ; Read arguments (also via rbp once saved on stack,
    ; or directly from registers)
    mov rax, [rbp-8]
    add rax, [rbp-16]

    leave
    ret

Callee-saved-Register sichern

Callee-saved-Register (rbx, rbp, r12-r15) müssen erhalten werden — push beim Eintritt, pop in umgekehrter Reihenfolge beim Austritt. Caller-saved (rax, rcx, rdx, rsi, rdi, r8-r11) dürfen frei verändert werden, bei Bedarf selbst sichern.

assembly
; rbx, rbp, r12, r13, r14, r15 are callee-saved
; rax, rcx, rdx, rsi, rdi, r8-r11 are caller-saved

my_func:
    push rbx          ; we want to use rbx
    push r12          ; and r12

    mov rbx, rdi      ; use them
    mov r12, rsi

    ; ... do work, may call other functions ...
    ; (those calls will preserve rbx/r12 for us)

    mov rax, rbx      ; prepare return value

    pop r12           ; restore in REVERSE order
    pop rbx
    ret
05

Systemaufrufe und Hello World

syscall — Linux-Systemaufruf

Unter Linux x86-64 verwenden Syscalls die Anweisung syscall mit der Nummer in rax und bis zu 6 Argumenten in rdi, rsi, rdx, r10, r8, r9 (r10, nicht rcx, für das 4. Argument!). Häufige Nummern: write=1, read=0, exit=60, mmap=9. syscall zerstört rcx und r11.

assembly
; Linux x86-64 syscall convention:
; rax = syscall number
; rdi, rsi, rdx, r10, r8, r9 = args (NOTE: r10 not rcx!)
; return value in rax; clobbers rcx and r11

; write(1, msg, 12)
mov rax, 1          ; syscall: write
mov rdi, 1          ; fd = stdout
lea rsi, [msg]      ; buf
mov rdx, 12         ; count
syscall

; exit(0)
mov rax, 60         ; syscall: exit
xor rdi, rdi        ; status = 0
syscall

section .data
msg: db "hello world", 10   ; 12 bytes with newline

Vollständiges Hello World (NASM, Linux)

Ein eigenständiges Hello World bindet keine libc — es ruft den Kernel direkt via syscall auf. $ - msg berechnet die Länge zur Assemblierungszeit. _start ist der Standardeinstiegspunkt von ld. Das Programm endet mit dem exit-Syscall.

assembly
; nasm -f elf64 hello.asm && ld hello.o -o hello && ./hello
section .data
    msg:     db "Hello, World!", 10
    msg_len: equ $ - msg          ; length computed at assemble time

section .text
    global _start

_start:
    ; write(1, msg, msg_len)
    mov rax, 1          ; write
    mov rdi, 1          ; stdout
    mov rsi, msg
    mov rdx, msg_len
    syscall

    ; exit(0)
    mov rax, 60
    xor rdi, rdi
    syscall

argc / argv der Kommandozeile lesen

Beim Eintritt in _start (Linux, ohne libc) legt der Kernel argc in [rsp], dann argv-Zeiger, envp und NULL ab. Wenn Sie libc binden und main verwenden, parst die C-Laufzeit diese — main erhält argc und argv in rdi/rsi.

assembly
; At _start the stack looks like:
;   [rsp]      = argc
;   [rsp+8]    = argv[0]
;   [rsp+16]   = argv[1]
;   ...
;   [rsp + 8*(argc+1)] = NULL

_start:
    mov rdi, [rsp]           ; argc
    mov rsi, [rsp+8]         ; argv[0] (program name)
    mov rdx, [rsp+16]        ; argv[1] (first user arg)

    ; Loop over argv
    mov rbx, rsp
    add rbx, 8               ; skip argc, point at argv[0]
.loop:
    mov rax, [rbx]
    test rax, rax
    jz .done                 ; NULL terminator
    ; rax -> one argv string
    add rbx, 8
    jmp .loop
.done:
    ; exit
    mov rax, 60
    xor rdi, rdi
    syscall

C-Bibliotheksfunktionen aufrufen

Beim Aufruf von C-Funktionen rsp vor dem Call auf 16 Byte ausrichten. Bei variadischen Funktionen wie printf muss rax die Anzahl der Vektor- (XMM-) Registerargumente halten — bei reinen Integer-Aufrufen auf 0 setzen. Verwenden Sie main als Einstiegspunkt.

assembly
; Link with gcc: nasm -f elf64 demo.asm && gcc demo.o -o demo -no-pie
extern printf

section .data
    fmt:  db "sum = %d", 10, 0
section .text
    global main

main:
    push rbp
    mov  rbp, rsp
    sub  rsp, 16                ; keep stack 16-byte aligned

    ; printf("sum = %d\n", 42)
    ; Variadic: rdi=fmt, rsi=arg, rax=#vector regs (0)
    lea  rdi, [fmt]
    mov  rsi, 42
    xor  rax, rax               ; 0 floating-point args
    call printf

    xor  rax, rax               ; return 0
    leave
    ret

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