Язык ассемблера

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Автокод»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
Язык ассемблера
Класс языка язык программирования
Появился в 1949
Расширение файлов .asm
Листинг программы на языке ассемблера Motorola MC6800 (слева идут адреса и машинные коды в шестнадцатеричной системе, вычисленные и сгенерированные ассемблером из исходного кода программы, справа показан сам текст программы с мнемоническими инструкциями, метками, директивами, выражениями и комментариями)

Язы́к ассе́мблера (англ. assembly language) — машинно-ориентированный язык программирования низкого уровня. Его команды прямо соответствуют отдельным командам машины или их последовательностям, также он может предоставлять дополнительные возможности облегчения программирования, такие как макрокоманды, выражения, средства обеспечения модульности программ. Может рассматриваться как автокод (см. ниже), расширенный конструкциями языков программирования высокого уровня[1][2]. Является существенно платформо-зависимым. Языки ассемблера для различных аппаратных платформ несовместимы, хотя могут быть в целом подобны.

В русском языке может именоваться просто «ассемблером» (типичны выражения типа «писать программу на ассемблере»), что, строго говоря, неверно, так как ассемблером именуется утилита трансляции программы с языка ассемблера в объектный код компьютера.

Автокод — язык программирования, предложения которого по своей структуре в основном подобны командам и обрабатываемым данным конкретного машинного языка[2].

Общее определение[править | править код]

Язык ассемблера — система обозначений, используемая для представления в удобочитаемой форме программ, записанных в машинном коде. Язык ассемблера позволяет программисту пользоваться алфавитными мнемоническими кодами операций, по своему усмотрению присваивать символические имена регистрам ЭВМ и памяти, а также задавать удобные для себя схемы адресации (например, индексную или косвенную). Кроме того, он позволяет использовать различные системы счисления (например, десятичную или шестнадцатеричную) для представления числовых констант и даёт возможность помечать строки программы метками с символическими именами с тем, чтобы к ним можно было обращаться (по именам, а не по адресам) из других частей программы (например, для передачи управления)[3].

Перевод программы на языке ассемблера в исполнимый машинный код (вычисление выражений, раскрытие макрокоманд, замена мнемоник собственно машинными кодами и символьных адресов на абсолютные или относительные адреса) производится ассемблером — программой-транслятором, которая и дала языку ассемблера его название.

Содержание языка[править | править код]

Команды языка ассемблера один к одному соответствуют командам процессора. Фактически, они и представляют собой более удобную для человека символьную форму записи — мнемокоды — команд и их аргументов. При этом одной команде языка ассемблера может соответствовать несколько вариантов команд процессора[4].

Кроме того, язык ассемблера позволяет использовать символические метки вместо адресов ячеек памяти, которые при ассемблировании заменяются на вычисляемые ассемблером или компоновщиком абсолютные или относительные адреса, а также так называемые директивы (команды ассемблера, не переводимые в машинные команды процессора, а выполняемые самим ассемблером).

Директивы ассемблера позволяют, в частности, включать блоки данных, задать ассемблирование фрагмента программы по условию, задать значения меток, использовать макрокоманды с параметрами.

Каждая модель (или семейство) процессоров имеет свой набор — систему — команд и соответствующий ему язык ассемблера. Наиболее популярные синтаксисы языков ассемблера — Intel-синтаксис и AT&T-синтаксис.

Существуют компьютеры, реализующие в качестве машинного язык программирования высокого уровня (Форт, Лисп, Эль-76). Фактически, в таких компьютерах они выполняют роль языков ассемблера.

Возможности[править | править код]

Использование языка ассемблера предоставляет программисту ряд возможностей, как правило, недоступных при программировании на языках высокого уровня. Большинство из них связано с близостью языка к аппаратной платформе.

  • Возможность максимально полного использования всех особенностей аппаратной платформы позволяет, теоретически, писать самый быстрый и компактный код из возможных для данного процессора. Искусный программист, как правило, способен значительно оптимизировать программу по сравнению с транслятором с языка высокого уровня по одному или нескольким параметрам и создать код, близкий к оптимальному по Парето (как правило, быстродействие программы достигается за счёт удлинения кода и наоборот):
    • за счёт более рационального использования ресурсов процессора, например, максимально эффективного размещения всех исходных данных в регистрах, можно исключить излишние обращения к оперативной памяти;
    • за счёт ручной оптимизации вычислений, в том числе более эффективного использования промежуточных результатов, может быть сокращён объём кода и повышена скорость программы.
  • Возможность непосредственного доступа к аппаратуре, и, в частности, портам ввода-вывода, конкретным адресам памяти, регистрам процессора (впрочем, данная возможность существенно ограничивается тем, что во многих операционных системах прямое обращение из прикладных программ для записи в регистры периферийного оборудования блокировано для надёжности работы системы).

Использование ассемблера практически не имеет альтернативы при создании:

  • драйверов оборудования и ядра операционной системы (по крайней мере, машинозависимых подсистем ядра ОС), тогда, когда важно временно́е согласование работы периферийных устройств с центральным процессором;
  • программ, которые должны храниться в ПЗУ ограниченного объёма и/или выполняться на устройствах с ограниченной производительностью («прошивок» компьютеров и различных электронных устройств)
  • платформо-зависимых компонентов компиляторов и интерпретаторов языков высокого уровня, системных библиотек и кода, реализующего совместимость платформ.

Отдельно можно отметить, что с помощью программы-дизассемблера возможно преобразование откомпилированной программы в программу на языке ассемблера. В большинстве случаев это единственный (хотя и крайне трудоёмкий) способ обратного реконструирования алгоритмов программы, если не доступен её исходных код на языке высокого уровня.

Ограничения[править | править код]

  • В силу машинной ориентации («низкого уровня») языка ассемблера человеку сложнее читать и понимать программу на нём по сравнению с языками программирования высокого уровня. Это серьёзно затрудняет сопровождение программ, написанных на языке ассемблера.
  • Программа на языке ассемблера состоит из очень «мелких» элементов — машинных команд, соответственно, объём программы в командах пропорционально больше. Поскольку, как известно, программист за единицу времени может написать и отладить примерно одно и то же число операторов, вне зависимости от языка, на котором он пишет, разработка на ассемблере больших программ оказывается существенно медленнее.
  • Усложняются программирование и отладка, растут трудоёмкость и вероятность внесения ошибок.
  • Требуется повышенная квалификация программиста для получения качественного кода: код, написанный средним программистом на языке ассемблера, обычно оказывается не лучше или даже хуже кода, порождаемого оптимизирующим компилятором для сравнимых программ, написанных на языке высокого уровня[5]. При этом чем больше объём программы, тем меньше выигрыш от использования языка ассемблера.
  • Программа на языке высокого уровня может быть перекомпилирована с автоматической оптимизацией под особенности новой целевой платформы[6], программа же на языке ассемблера на новой платформе может потерять своё преимущество в скорости без ручного переписывания кода[7][8].
  • Как правило, меньшее количество доступных библиотек по сравнению с современными индустриальными языками программирования.
  • Отсутствует переносимость программ на компьютеры с другой архитектурой и системой команд.

Применение[править | править код]

Исторически, если первым поколением языков программирования считать машинные коды, то язык ассемблера можно рассматривать как второе поколение языков программирования. Недостатки языка ассемблера, сложность разработки на нём больших программных комплексов привели к появлению языков третьего поколения — языков программирования высокого уровня (таких как Фортран, Лисп, Кобол, Паскаль, Си и др.). Именно языки программирования высокого уровня и их наследники в основном используются в настоящее время в индустрии информационных технологий. Однако языки ассемблера сохраняют свою нишу, обусловленную их уникальными преимуществами в части эффективности и возможности полного использования специфических средств конкретной платформы.

На языке ассемблера пишут программы или их фрагменты в тех случаях, когда критически важны:

  • быстродействие (драйверы, игры);
  • объём используемой памяти (загрузочные секторы, встраиваемое (англ. embedded) программное обеспечение, программы для микроконтроллеров и процессоров с ограниченными ресурсами, вирусы, программные защиты).

С использованием программирования на языке ассемблера производятся:

  • Оптимизация критичных к скорости участков программ в программах на языках высокого уровня, таких как C++ или Pascal. Это особенно актуально для игровых приставок, имеющих фиксированную производительность, и для мультимедийных кодеков, которые стремятся делать менее ресурсоёмкими и более быстрыми.
  • Создание операционных систем (ОС) или их компонентов. В настоящее время подавляющее большинство ОС пишут на более высокоуровневых языках (в основном на Си — языке высокого уровня, который специально был создан для написания одной из первых версий UNIX). Аппаратно зависимые участки кода, такие как загрузчик ОС, уровень абстрагирования от аппаратного обеспечения (hardware abstraction layer) и ядро, часто пишутся на языке ассемблера. Фактически, ассемблерного кода в ядрах Windows или Linux совсем немного, поскольку авторы стремятся обеспечить переносимость и надёжность, но, тем не менее, он там присутствует. Некоторые любительские ОС, такие как MenuetOS и KolibriOS, целиком написаны на языке ассемблера. При этом MenuetOS и KolibriOS помещаются на дискету и содержат графический многооконный интерфейс.
  • Программирование микроконтроллеров (МК) и других встраиваемых процессоров. По мнению профессора Таненбаума, развитие МК повторяет историческое развитие компьютеров новейшего времени[9]. Сейчас (2013 г.) для программирования МК весьма часто применяют язык ассемблера (хотя и в этой области широкое распространение получают языки вроде Си). В МК приходится перемещать отдельные байты и биты между различными ячейками памяти. Программирование МК весьма важно, так как, по мнению Таненбаума, в автомобиле и квартире современного цивилизованного человека в среднем содержится 50 микроконтроллеров[10].
  • Создание драйверов. Драйверы (или их некоторые программные модули) программируют на языке ассемблера. Хотя в настоящее время драйверы также стремятся писать на языках высокого уровня (на высокоуровневом языке много проще написать надёжный драйвер) в связи с повышенными требованиями к надёжности и достаточной производительностью современных процессоров (быстродействие обеспечивает временно́е согласование процессов в устройстве и процессоре) и достаточным совершенством компиляторов с языков высокого уровня (отсутствие ненужных пересылок данных в сгенерированном коде), подавляющая часть современных драйверов пишется на языке ассемблера. Надёжность для драйверов играет особую роль, поскольку в Windows NT и UNIX (в том числе в Linux) драйверы работают в режиме ядра системы. Одна тонкая ошибка в драйвере может привести к краху всей системы.
  • Создание антивирусов и других защитных программ.
  • Написание кода низкоуровневых библиотек трансляторов языков программирования.

Связывание программ на разных языках[править | править код]

Поскольку уже давно на языке ассемблера часто кодируют только фрагменты программ, их необходимо связывать с остальными частями программной системы, написанными на других языках программирования. Это достигается двумя основными способами:

  • На этапе компиляции — вставка в исходный код программы на языке высокого уровня ассемблерных фрагментов (англ. inline assembler) с помощью специальных директив языка. Способ удобен для несложных преобразований данных, но полноценного ассемблерного кода с данными и подпрограммами, включая подпрограммы со множеством входов и выходов, не поддерживаемых языком высокого уровня, с его помощью сделать невозможно.
  • На этапе компоновки при раздельной компиляции. Для взаимодействия компонуемых модулей достаточно, чтобы импортируемые функции (определённые в одних модулях и используемые в других) поддерживали определённое соглашение о вызове (англ. calling conventions). Написаны же отдельные модули могут быть на любых языках, в том числе и на языке ассемблера.

Синтаксис[править | править код]

Синтаксис языка ассемблера определяется системой команд конкретного процессора.

Набор команд[править | править код]

Типичными командами языка ассемблера являются (большинство примеров даны для Intel-синтаксиса архитектуры x86):

  • Команды пересылки данных (mov и др.)
  • Арифметические команды (add, sub, imul и др.)
  • Логические и побитовые операции (or, and, xor, shr и др.)
  • Команды управления ходом выполнения программы (jmp, loop, ret и др.)
  • Команды вызова прерываний (иногда относят к командам управления): int
  • Команды ввода-вывода в порты (in, out)
  • Для микроконтроллеров и микрокомпьютеров характерны также команды, выполняющие проверку и переход по условию, например:
  • cjne — перейти, если не равно
  • djnz — декрементировать, и если результат ненулевой, то перейти
  • cfsneq — сравнить, и если не равно, пропустить следующую команду

Инструкции[править | править код]

Типичный формат записи команд:[править | править код]

[метка:] [ [префикс] мнемокод [операнд {, операнд}] ] [;комментарий]

где мнемокод — непосредственно мнемоника инструкции процессору. К ней могут быть добавлены префиксы (повторения, изменения типа адресации и пр.).

В качестве операндов могут выступать константы, адреса регистров, адреса в оперативной памяти и пр. Различия между синтаксисом Intel и AT&T касаются в основном порядка перечисления операндов и указания различных методов адресации.

Используемые мнемоники обычно одинаковы для всех процессоров одной архитектуры или семейства архитектур (среди широко известных — мнемоники процессоров и контроллеров x86, ARM, SPARC, PowerPC, M68k). Они описываются в спецификации процессоров. Возможные исключения:

  • если ассемблер использует кроссплатформенный AT&T-синтаксис (оригинальные мнемоники приводятся к синтаксису AT&T);
  • если изначально существовало два стандарта записи мнемоник (система команд была наследована от процессора другого производителя).

Например, процессор Zilog Z80 наследовал систему команд Intel 8080, расширил её и поменял мнемоники (и обозначения регистров) на свой лад. Процессоры Motorola Fireball наследовали систему команд Z80, несколько её урезав. Вместе с тем, Motorola официально вернулась к мнемоникам Intel и в данный момент половина ассемблеров для Fireball работает с мнемониками Intel, а половина — с мнемониками Zilog.

Директивы[править | править код]

Программа на языке ассемблера может содержать директивы: инструкции, не переводящиеся непосредственно в машинные команды, а управляющие работой компилятора. Набор и синтаксис их значительно разнятся и зависят не от аппаратной платформы, а от используемого транслятора (порождая диалекты языков в пределах одного семейства архитектур). В качестве «джентльменского набора» директив можно выделить следующие:

  • определение данных (констант и переменных),
  • управление организацией программы в памяти и параметрами выходного файла,
  • задание режима работы компилятора,
  • всевозможные абстракции (то есть элементы языков высокого уровня) — от оформления процедур и функций (для упрощения реализации парадигмы процедурного программирования) до условных конструкций и циклов (для парадигмы структурного программирования),
  • макросы.

Пример программы[править | править код]

Примеры программы Hello, world! для разных платформ и разных диалектов:

История и терминология[править | править код]

Данный тип языков получил своё название от названия транслятора (компилятора) с этих языков — ассемблера (англ. assembler — сборщик). Название обусловлено тем, что программа «автоматически собиралась», а не вводилась вручную покомандно непосредственно в кодах. При этом наблюдается путаница терминов: ассемблером нередко называют не только транслятор, но и соответствующий язык программирования («программа на ассемблере»).

Использование термина «язык ассемблера» также может вызвать ошибочное мнение о существовании некоего единого языка низкого уровня или хотя бы стандартов на такие языки. При именовании языка ассемблера желательно уточнять, ассемблер для какой архитектуры имеется в виду.

Примечания[править | править код]

  1. СТ ИСО 2382/7-77 // Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X.
  2. 1 2 ГОСТ 19781-83 // Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X.
  3. Толковый словарь по вычислительным системам = Dictionary of Computing / Под ред. В. Иллингуорта и др.: Пер. с англ. А. К. Белоцкого и др.; Под ред. Е. К. Масловского. — М.: Машиностроение, 1990. — 560 с. — 70 000 (доп,) экз. — ISBN 5-217-00617-X (СССР), ISBN 0-19-853913-4 (Великобритания).
  4. Крис Касперски. Образ мышления IDA. Архивировано 22 августа 2011 года.
  5. Крис Касперски. Война миров: Ассемблер против Си. Проверено 1 июня 2010. Архивировано 22 августа 2011 года.
  6. Например, доступ к данным, невыровненным на границу 32-битных слов в архитектуре IA-32, требует дополнительного времени. Также, в архитектуре Intel P6 появились два конвейера, и, чтобы они не простаивали (англ. Pipeline stall), может потребоваться переупорядочивание инструкций (англ.)
  7. Кирилл Кочетков. MP3-кодек LAME — продолжаем исследования. iXBT (28 ноября 2003). Проверено 1 июня 2010. Архивировано 28 мая 2012 года.
  8. Serj Kalichev. Основы написания переносимого кода. — Оригинал статьи: Martin Husemann. Fighting the Lemmings. Проверено 1 июня 2010. Архивировано 28 мая 2012 года.
  9. Эндрю Таненбаум. Архитектура компьютера. 5-е изд.
  10. Эндрю Таненбаум. Архитектура компьютера. 3-е изд.

Литература[править | править код]

  • Галисеев Г. В. Ассемблер для Win 32. Самоучитель. — М.: Диалектика, 2007. — 368 с. — ISBN 978-5-8459-1197-1.
  • Зубков С. В. Ассемблер для DOS, Windows и UNIX. — М. ДМК Пресс; СПб. Питер, 2006. — 608 с. — ISBN 5-94074-259-9.
  • Кип Ирвин. Язык ассемблера для процессоров Intel = Assembly Language for Intel-Based Computers. — М.: Вильямс, 2005. — 912 с. — ISBN 0-13-091013-9.
  • Калашников О. А. Ассемблер? Это просто! Учимся программировать. — СПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 384 с. — ISBN 978-5-94157-709-5.
  • Крис Касперски. Искусство дизассемблирования. — СПб.: БХВ-Петербург, 2008. — 896 с. — ISBN 978-5-9775-0082-1.
  • Владислав Пирогов. Ассемблер для Windows. — СПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 896 с. — ISBN 978-5-9775-0084-5.
  • Владислав Пирогов. Ассемблер и дизассемблирование. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 464 с. — ISBN 5-94157-677-3.
  • Ричард Саймон. Microsoft Windows API Справочник системного программиста.
  • Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! — Т. 1.
  • Юров В., Хорошенко С. Assembler: учебный курс. — СПб.: Питер, 1999. — С. 672. — ISBN 5-314-00047-4.
  • Аблязов Р. З. Программирование на ассемблере на платформе х86-64. — М.: ДМК Пресс, 2011. — С. 304. — ISBN 978-5-94074-676-8.
  • Юричев Д., Понимание языка ассемблера https://yurichev.com/writings/UAL-RU.pdf
  • Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера.. — 2-е. — БХВ-Петербург, 2014. — 368 с. — (Электроника). — ISBN 9785977533119.

Ссылки[править | править код]

  • WASM.in — портал, посвящённый информационной безопасности и программированию на языках ассемблера.
  • [1] — Архив статей с сайта «wasm.ru». На самом сайте в данный момент доступен только форум
  • Assembler & Win64 (англ.) — введение в ассемблер под х86-64