На чем написан ассемблер

Как писать на ассемблере в 2018 году

Статья посвящена языку ассемблер с учетом актуальных реалий. Представлены преимущества и отличия от ЯВУ, произведено небольшое сравнение компиляторов, скрупулёзно собрано значительное количество лучшей тематической литературы.

1. Язык. Преимущества и отличия от ЯВУ

Ассемблер (Assembly) — язык программирования, понятия которого отражают архитектуру электронно-вычислительной машины. Язык ассемблера — символьная форма записи машинного кода, использование которого упрощает написание машинных программ. Для одной и той же ЭВМ могут быть разработаны разные языки ассемблера. В отличие от языков высокого уровня абстракции, в котором многие проблемы реализации алгоритмов скрыты от разработчиков, язык ассемблера тесно связан с системой команд микропроцессора. Для идеального микропроцессора, у которого система команд точно соответствует языку программирования, ассемблер вырабатывает по одному машинному коду на каждый оператор языка. На практике для реальных микропроцессоров может потребоваться несколько машинных команд для реализации одного оператора языка.

Язык ассемблера обеспечивает доступ к регистрам, указание методов адресации и описание операций в терминах команд процессора. Язык ассемблера может содержать средства более высокого уровня абстракции: встроенные и определяемые макрокоманды, соответствующие нескольким машинным командам, автоматический выбор команды в зависимости от типов операндов, средства описания структур данных. Главное достоинство языка ассемблера — «приближенность» к процессору, который является основой используемого программистом компьютера, а главным неудобством — слишком мелкое деление типовых операций, которое большинством пользователей воспринимается с трудом. Однако язык ассемблера в значительно большей степени отражает само функционирование компьютера, чем все остальные языки.

И хотя драйвера и операционные системы сейчас пишут на Си, но Си при всех его достоинствах — язык высокого уровня абстракции, скрывающий от программиста различные тонкости и нюансы железа, а ассемблер — язык низкого уровня абстракции, прямо отражающий все эти тонкости и нюансы.

Для успешного использования ассемблера необходимы сразу три вещи:

знание синтаксиса транслятора ассемблера, который используется (например, синтаксис MASM, FASM и GAS отличается), назначение директив языка ассемблер (операторов, обрабатываемых транслятором во время трансляции исходного текста программы);
понимание машинных инструкций, выполняемых процессором во время работы программы;
умение работать с сервисами, предоставляемыми операционной системой — в данном случае это означает знание функций Win32 API. При работе с языками высокого уровня очень часто к API системы программист прямо не обращается; он может даже не подозревать о его существовании, поскольку библиотека языка скрывает от программиста детали, зависящие от конкретной системы. Например, и в Linux, и в Windows, и в любой другой системе в программе на Си/Си++ можно вывести строку на консоль, используя функцию printf() или поток cout, то есть для программиста, использующего эти средства, нет разницы, под какую систему делается программа, хотя реализация этих функций будет разной в разных системах, потому что API систем очень сильно различается. Но если человек пишет на ассемблере, он уже не имеет готовых функций типа printf(), в которых за него продумано, как «общаться» с системой, и должен делать это сам.

Оптимальной можно считать программу, которая работает правильно, по возможности быстро и занимает, возможно, малый объем памяти. Кроме того, ее легко читать и понимать; ее легко изменить; ее создание требует мало времени и незначительных расходов. В идеале язык ассемблера должен обладать совокупностью характеристик, которые бы позволяли получать программы, удовлетворяющие как можно большему числу перечисленных качеств.

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

объем используемой памяти (программы-загрузчики, встраиваемое программное обеспечение, программы для микроконтроллеров и процессоров с ограниченными ресурсами, вирусы, программные защиты и т.п.);
быстродействие (программы, написанные на языке ассемблера выполняются гораздо быстрее, чем программы-аналоги, написанные на языках программирования высокого уровня абстракции. В данном случае быстродействие зависит от понимания того, как работает конкретная модель процессора, реальный конвейер на процессоре, размер кэша, тонкостей работы операционной системы. В результате, программа начинает работать быстрее, но теряет переносимость и универсальность).

Языки программирования высокого уровня абстракции разрабатывались с целью возможно большего приближения способа записи программ к привычным для пользователей компьютеров тех или иных форм записи, в частности математических выражений, а также чтобы не учитывать в программах специфические технические особенности отдельных компьютеров. Язык ассемблера разрабатывается с учетом специфики процессора, поэтому для грамотного написания программы на языке ассемблера требуется, в общем, знать архитектуру процессора используемого компьютера. Однако, имея в виду преимущественное распространение PC-совместимых персональных компьютеров и готовые пакеты программного обеспечения для них, об этом можно не задумываться, поскольку подобные заботы берут на себя фирмы-разработчики специализированного и универсального программного обеспечения.

2. О компиляторах

Какой ассемблер лучше?

Для процессора x86-x64, имеется более десятка различных ассемблер компиляторов. Они отличаются различными наборами функций и синтаксисом. Некоторые компиляторы больше подходят для начинающих, некоторые ― для опытных программистов. Некоторые компиляторы достаточно хорошо документированы, другие вообще не имеют документации. Для некоторых компиляторов разработано множеством примеров программирования. Для некоторых ассемблеров написаны учебные пособия и книги, в которых подробно рассматривается синтаксис, у других нет ничего. Какой ассемблер лучше?

Учитывая множество диалектов ассемблеров для x86-x64 и ограниченное количество времени для их изучения, ограничимся кратким обзором следующих компиляторов: MASM, TASM, NASM, FASM, GoASM, Gas, RosAsm, HLA.

Какую операционную систему вы бы хотели использовать?

Это вопрос, на который вы должны ответить в первую очередь. Самый многофункциональный ассемблер не принесет вам никакой пользы, если он не предназначен для работы под ту операционную систему, которую вы планируете использовать.

Windows	DOS	Linux	BSD	QNX	MacOS, работающий на процессоре Intel/AMD
FASM	x	x	x	x
GAS	x	x	x	x	x	x
GoAsm	x
HLA	x	x
MASM	x	x
NASM	x	x	x	x	x	x
RosAsm	x
TASM	x	x

Поддержка 16 бит

Если ассемблер поддерживает DOS, то он поддерживает и 16-разрядные команды. Все ассемблеры предоставляют возможность писать код, который использует 16-разрядные операнды. 16-разрядная поддержка означает возможность создания кода, работающего в 16-разрядной сегментированной модели памяти (по сравнению с 32-разрядной моделью с плоской памятью, используемой большинством современных операционных систем).

Поддержка 64 бит

За исключением TASM, к которому фирма Borland охладела в середине нулевых, и, который не поддерживает в полном объеме даже 32-разрядные программы, все остальные диалекты поддерживают разработку 64-разрядных приложений.

Переносимость программ

Очевидно, что вы не собираетесь писать код на ассемблере x86-x64, который запускался бы на каком-то другом процессоре. Однако, даже на одном процессоре вы можете столкнуться с проблемами переносимости. Например, если вы предполагаете компилировать и использовать свои программы на ассемблере под разными операционными системами. NASM и FASM можно использовать в тех операционных системах, которые они поддерживают.

Предполагаете ли вы писать приложение на ассемблере и затем портировать, это приложение с одной ОС на другую с «перекомпиляцией» исходного кода? Эту функцию поддерживает диалект HLA. Предполагаете ли вы иметь возможность создавать приложения Windows и Linux на ассемблере с минимальными усилиями для этого? Хотя, если вы работаете с одной операционной системой и абсолютно не планируете работать в какой-либо другой ОС, тогда эта проблема вас не касается.

Поддержка высокоуровневых языковых конструкций

Некоторые ассемблеры предоставляют расширенный синтаксис, который обеспечивает языковые высокоуровневые структуры управления (типа IF, WHILE, FOR и так далее). Такие конструкции могут облегчить обучение ассемблеру и помогают написать более читаемый код. В некоторые ассемблеры встроены «высокоуровневые конструкции» с ограниченными возможностями. Другие предоставляют высокоуровневые конструкции на уровне макросов.

Никакой ассемблер не заставляет вас использовать какие-либо структуры управления или типы данных высокого уровня, если вы предпочитаете работать на уровне кодировки машинных команд. Высокоуровневые конструкции ― это расширение базового машинного языка, которое вы можете использовать, если найдете их удобными.

Качество документации

Удобство использования ассемблера напрямую связано с качеством его документации. Учитывая объем работы, который тратится для создания диалекта ассемблера, созданием документации для этого диалекта авторы компиляторов практически не заморачиваются. Авторы, расширяя свой язык, забывают документировать эти расширения.

В следующей таблице описывается качество справочного руководства ассемблера, которое прилагается к продукту:

Учебники и учебные материалы

Документация на самом ассемблере, конечно, очень важна. Еще больший интерес для новичков и других, изучающих язык ассемблера (или дополнительные возможности данного ассемблера), ― это наличие документации за пределами справочного руководства для языка. Большинство людей хотят, чтобы учебник, объясняющий, как программировать на ассемблере, не просто предоставляет синтаксис машинных инструкций и ожидает, что читателю объяснят, как объединять эти инструкции для решения реальных проблем.

MASM является лидером среди огромного объема книг, описывающих, как программировать на этом диалекте. Есть десятки книг, которые используют MASM в качестве своего ассемблера для обучения ассемблеру.

Большинство учебников по ассемблеру MASM/TASM продолжают обучать программированию под MS-DOS. Хотя постепенно появляются учебники, которые обучают программированию в Windows и Linux.

3. Литература и веб ресурсы

Beginners

Абель П. Язык Ассемблера для IBM PC и программирования. – М.: Высшая школа, 1992. – 447 с.
Брэдли Д. Программирование на языке ассемблера для персональной ЭВМ фирмы IBM.– М.: Радио и связь, 1988. – 448 с.
Галисеев Г.В. Ассемблер IBM PC. Самоучитель.: – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 304 с.: ил.
Дао Л. Программирование микропроцессора 8088. – М.: Мир, 1988. – 357 с.
Жуков А.В., Авдюхин А.А. Ассемблер. – Спб.: БХВ-Петербург, 2003. – 448 с.: ил.
Зубков С.В., Ассемблер для DOS, Windows и UNIX. – М.: ДМК Пресс, 2000. – 608 с.: ил. (Серия «Для программистов»).
Ирвин К. Язык ассемблера для процессоров Intel, 4-е издание.: пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. – 912 с.: ил. – Парал. тит. англ.(см. также свежее 7-ое издание в оригинале)
Нортон П., Соухэ Д. Язык ассемблера для IBM PC.– М.: Компьютер, 1992.– 352 с.
Пильщиков В.Н. Программирование на языке ассемблера IBM PC.– М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1994–2014 288 с.
Скляров И.С. Изучаем ассемблер за 7 дней www.sklyaroff.ru

Advanced

Касперски К. Фундаментальные основы хакерства. Искусство дизассемблирования. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 448 с. – (Серия «Кодокопатель»)
Касперски К. Техника отладки программ без исходных текстов. – Спб.: БХВ-Петербург, 2005. – 832 с.: ил.
Касперски К. Компьютерные вирусы изнутри и снаружи. – Спб.: Питер, 2006. – 527 с.: ил.
Касперски К. Записки исследователя компьютерных вирусов. – Спб.: Питер, 2006. – 316 с.: ил.
Кнут Д. Искусство программирования, том 3. Сортировка и поиск, 2-е изд.: пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 832 с.: ил. – Парал. тит. англ.
Колисниченко Д.Н. Rootkits под Windows. Теория и практика программирования «шапок-невидимок», позволяющих скрывать от системы данные, процессы, сетевые соединения. – Спб.: Наука и Техника, 2006. – 320 с.: ил.
Лямин Л.В. Макроассемблер MASM.– М.: Радио и связь, 1994.– 320 с.: ил.
Магда Ю. Ассемблер для процессоров Intel Pentium. – Спб.: Питер, 2006. – 410 с.: ил.
Майко Г.В. Ассемблер для IBM PC.– М.: Бизнес-Информ, Сирин, 1997.– 212 с.
Уоррен Г. Алгоритмические трюки для программистов, 2-е изд.: пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 512 с.: ил. – Парал. тит. англ.
Скляров И.С. Искуство защиты и взлома информации. – Спб.: БХВ-Петербург, 2004. – 288 с.: ил.
Уэзерелл Ч. Этюды для программистов: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 288 с., ил.
Электронная библиотека братьев Фроловых www.frolov-lib.ru
Чекатов А.А. Использование Turbo Assembler при разработке программ.– Киев: Диалектика, 1995.– 288 с.
Юров В. Assembler: специальный справочник.– Спб.: Питер, 2001.– 496 с.: ил.
Юров В. Assembler. Практикум. 2-е изд. – Спб.: Питер, 2006. – 399 с.: ил.
Юров В. Assembler. Учебник для вузов. 2-е изд. – Спб.: Питер, 2007. – 637 с.: ил.
Пирогов В. Assembler учебный курс. 2001 Нолидж
Пирогов В. АССЕМБЛЕР учебный курс 2003 Нолидж-БХВ
Пирогов В. Assembler для windows
1-ое издание ― М.: изд-во Молгачева С.В., 2002
2-ое издание ― СПб. БХВ-Петербург, 2003 ― 684 с.: ил.
3-ье издание ― СПб. БХВ-Петербург, 2005 ― 864 с.: ил.
4-ое издание ― СПб. БХВ-Петербург, 2012 ― 896 с.: ил.
Пирогов В. Ассемблер на примерах. ― СПб. БХВ-Петербург, 2012 ― 416 с.: ил.
Пирогов В. АССЕМБЛЕР и дизассемблирование. ― СПб. БХВ-Петербург, 2006. ― 464 с.: ил.
Пирогов В. работа над книгой ’64-битовое программирование на ассемблере (Windows,Unix)’. В книге рассматривается программирование на fasm в 64-разрядных Windows и Unix
Юров В., Хорошенко С. Assembler: учебный курс.– Спб.: Питер, 1999. – 672 с.
Ю-Чжен Лю, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем.– М.: Радио и связь, 1987.– 512 с.
Agner Fog: Software optimization resources (assembly/c++) 1996 – 2017. Веб-страница
Intel ® 64 and IA-32 Architectures Optimization Reference Manual
Intel ® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 1: Basic Architecture
Intel ® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 2A: Instruction Set Reference, A-M
Intel ® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 2B: Instruction Set Reference, N-Z
Intel ® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3A: System Programming Guide, Part 1
Intel ® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3B: System Programming Guide, Part 2
Leiterman J.C. 32/64-BIT 80×86 Assembly Language Architecture. © 2005, Wordware Publishing, Inc (568 pages) 2320 Los Rios Boulevard Plano, Texas 75074
Turbo Assembler® Version 3.2 User’s Guide Borland International. Inc 1800 Green Hills Road P.O. BOX 660001, Scotts Valley, CA 95067-0001
Статьи с сайта wasm.in
Статьи с сайта sasm.narod.ru
Сайт MASM32 и форум
Сайт FASM и форум
Сайт NASM

4. Практика

Итак, вы уже знаете, что такое ассемблер и с чем его едят. Вы запаслись парой/тройкой книг и веб мануалами, возможно определились и с компилятором… К сожалению уроки программирования выходят за рамки данной статьи, но для тех чей выбор пал на MASM/FASM можете воспользоваться следующими макетами:

MASM64 простое окно masm64SimpleWindow.asm
FASM64 простое окно fasm64SimpleWindow.asm

Желаем вам, друзья, значительных достижений и новых знаний в 2018 году!

С уважением
Михаил Смоленцев MiklIrk (Иркутский государственный университет путей сообщения),
Алексей Гриценко expressrus (Донской государственный технический университет).

Ps1: Уважаемый, Хабрахабр! Добавьте в ваш редактор подсветку ассемблера (Intel-синтаксис), это пригодится для будущих статей!

Почему Ассемблер — это круто, но сложно

Есть высокоуровневые языки — это те, где вы говорите if — else, print, echo, function и так далее. «Высокий уровень» означает, что вы говорите с компьютером более-менее человеческим языком. Другой человек может не понять, что именно у вас написано в коде, но он хотя бы сможет прочитать слова.

Но сам компьютер не понимает человеческий язык. Компьютер — это регистры памяти, простые логические операции, единицы и нули. Поэтому прежде чем ваша программа будет исполнена процессором, ей нужен переводчик — программа, которая превратит высокоуровневый язык программирования в низкоуровневый машинный код.

Ассемблер — это собирательное название языков низкого уровня: код всё ещё пишет человек, но он уже гораздо ближе к принципам работы компьютера, чем к принципам мышления человека.

Вариантов Ассемблера довольно много. Но так как все они работают по одинаковому принципу и используют (в основном) одинаковый синтаксис, мы будем все подобные языки называть общим словом «Ассемблер».

Как мыслит процессор

Чтобы понять, как работает Ассемблер и почему он работает именно так, нам нужно немного разобраться с внутренним устройством процессора.

Кроме того, что процессор умеет выполнять математические операции, ему нужно где-то хранить промежуточные данные и служебную информацию. Для этого в самом процессоре есть специальные ячейки памяти — их называют регистрами.

Регистры бывают разного вида и назначения: одни служат, чтобы хранить информацию; другие сообщают о состоянии процессора; третьи используются как навигаторы, чтобы процессор знал, куда идти дальше, и так далее. Подробнее — в расхлопе ↓

Общего назначения. Это 8 регистров, каждый из которых может хранить всего 4 байта информации. Такой регистр можно разделить на 2 или 4 части и работать с ними как с отдельными ячейками.

Указатель команд. В этом регистре хранится только адрес следующей команды, которую должен выполнить процессор. Вручную его изменить нельзя, но можно на него повлиять различными командами переходов и процедур.

Регистр флагов. Флаг — какое-то свойство процессора. Например, если установлен флаг переполнения, значит процессор получил в итоге такое число, которое не помещается в нужную ячейку памяти. Он туда кладёт то, что помещается, и ставит в этот флаг цифру 1. Она — сигнал программисту, что что-то пошло не так.

Флагов в процессоре много, какие-то можно менять вручную, и они будут влиять на вычисления, а какие-то можно просто смотреть и делать выводы. Флаги — как сигнальные лампы на панели приборов в самолёте. Они что-то означают, но только самолёт и пилот знают, что именно.

Сегментные регистры. Нужны были для того, чтобы работать с оперативной памятью и получать доступ к любой ячейке. Сейчас такие регистры имеют по 32 бита, и этого достаточно, чтобы получить 4 гигабайта оперативки. Для программы на Ассемблере этого обычно хватает.

Так вот: всё, с чем работает Ассемблер, — это команды процессора, переменные и регистры.

Здесь нет привычных типов данных — у нас есть только байты памяти, в которых можно хранить что угодно. Даже если вы поместите в ячейку какой-то символ, а потом захотите работать с ним как с числом — у вас получится. А вместо привычных циклов можно просто прыгнуть в нужное место кода.

Команды Ассемблера

Каждая команда Ассемблера — это команда для процессора. Не операционной системе, не файловой системе, а именно процессору — то есть в самый низкий уровень, до которого может дотянуться программист.

Любая команда на этом языке выглядит так:

Метка — это имя для фрагмента кода. Например, вы хотите отдельно пометить место, где начинается работа с жёстким диском, чтобы было легче читать код. Ещё метка нужна, чтобы в другом участке программы можно было написать её имя и сразу перепрыгнуть к нужному куску кода.

Команда — служебное слово для процессора, которое он должен выполнить. Специальные компиляторы переводят такие команды в машинный код. Это сделано для того, чтобы не запоминать сами машинные команды, а использовать вместо них какие-то буквенные обозначения, которые проще запомнить. В этом, собственно, и выражается человечность Ассемблера: команды в нём хотя бы отдалённо напоминают человеческие слова.

Операнды отвечают за то, что именно будут делать команды: какие ячейки брать для вычислений, куда помещать результат и что сделать с ним дополнительно. Операндом могут быть названия регистров, ячейки памяти или служебные части команд.

Комментарий — это просто пояснение к коду. Его можно писать на любом языке, и на выполнение программы он не влияет. Примеры команд:

mov eax, ebx ; Пересылаем значение регистра EBX в регистр EAX mov x, 0 ; Записываем в переменную x значение 0 add eax, х ; Складываем значение регистра ЕАХ и переменной х, результат отправится в регистр ЕАХ

Здесь нет меток, первыми идут команды (mov или add), а за ними — операнды и комментарии.

Пример: возвести число в куб

Если нам понадобится вычислить х³, где х занимает ровно один байт, то на Ассемблере это будет выглядеть так.

Первый вариант

mov al, x ; Пересылаем x в регистр AL imul al ; Умножаем регистр AL на себя, AX = x * x movsx bx, x ; Пересылаем x в регистр BX со знаковым расширением imul bx ; Умножаем AX на BX. Результат разместится в DX:AX

Второй вариант

mov al, x ; Пересылаем x в регистр AL imul al ; Умножаем регистр AL на себя, AX = x * x cwde ; Расширяем AX до EAX movsx ebx, x ; Пересылаем x в регистр EBX со знаковым расширением imul ebx ; Умножаем EAX на EBX. Поскольку x – 1-байтовая переменная, результат благополучно помещается в EAX

На любом высокоуровневом языке возвести число в куб можно одной строкой. Например:

на худой конец x = x*x*x.

Хитрость в том, что когда каждая из этих строк будет сведена к машинному коду, этого кода может быть и 5 команд, и 10, и 50, и даже 100. Чего стоит вызов объекта Math и его метода pow: только на эту служебную операцию (ещё до самого возведения в куб) может уйти несколько сотен и даже тысяч машинных команд.

А на Ассемблере это гарантированно пять команд. Ну, или как реализуете.

Почему это круто

Ассемблер позволяет работать с процессором и памятью напрямую — и делать это очень быстро. Дело в том, что в Ассемблере почти не тратится зря процессорное время. Если процессор работает на частоте 3 гигагерца — а это примерно 3 миллиарда процессорных команд в секунду, — то очень хороший код на Ассемблере будет выполнять примерно 2,5 миллиарда команд в секунду. Для сравнения, JavaScript или Python выполнят в тысячу раз меньше команд за то же время.

Ещё программы на Ассемблере занимают очень мало места в памяти. Именно поэтому на этом языке пишут драйверы, которые встраивают прямо в устройства, или управляющие программы, которые занимают несколько килобайт. Например, программа, которая находится в брелоке сигнализации и управляет безопасностью всей машины, занимает всего пару десятков килобайт. А всё потому, что она написана для конкретного процессора и использует его возможности на сто процентов.

Справедливости ради отметим, что современные компиляторы С++ дают машинный код, близкий по быстродействию к Ассемблеру, но всё равно немного уступают ему.

Почему это сложно

Для того, чтобы писать программы на Ассемблере, нужно очень любить кремний:

понимать архитектуру процессора;
знать устройство железа, которое работает с этим процессором;
знать все команды, которые относятся именно к этому типу процессоров;
уметь работать с данными в побайтовом режиме (забудьте о строках и массивах, ведь ваш максимум — это одна буква);
понимать, как в ограниченных условиях реализовать нужную функциональность.

Теперь добавьте к этому отсутствие большинства привычных библиотек для работы с чем угодно, сложность чтения текста программы, медленную скорость разработки — и вы получите полное представление о программировании на Ассемблере.

Для чего всё это

Ассемблер незаменим в таких вещах:

драйверы;
программирование микроконтроллеров и встраиваемых процессоров;
куски операционных систем, где важно обеспечить скорость работы;
антивирусы (и вирусы).

На самом деле на Ассемблере можно даже запилить свой сайт с форумом, если у программиста хватает квалификации. Но чаще всего Ассемблер используют там, где даже скорости и возможностей C++ недостаточно.

Язык ассемблера

Язык ассе́мблера (англ. assembly language ) — машинно-ориентированный язык низкого уровня с командами, обычно соответствующими командам машины, который может обеспечить дополнительные возможности вроде макрокоманд [1] ; автокод, расширенный конструкциями языков программирования высокого уровня, такими как выражения, макрокоманды, средства обеспечения модульности программ [2] . Автокод — язык программирования, предложения которого по своей структуре в основном подобны командам и обрабатываемым данным конкретного машинного языка. [2]

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

Содержание языка

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.

Достоинства и недостатки

Достоинства

Язык ассемблера позволяет писать самый быстрый и компактный код, какой вообще возможен для данного процессора.
Если код программы достаточно большой, — данные, которыми он оперирует, не помещаются целиком в регистрах процессора, то есть частично или полностью находятся в оперативной памяти, — то искусный программист, как правило, способен значительно оптимизировать программу по сравнению с транслятором с языка высокого уровня по одному или нескольким параметрам:
- скорость работы — за счёт оптимизации вычислительного алгоритма и/или более рационального обращения к ОП, перераспределения данных;
- объём кода (в том числе за счёт эффективного использования промежуточных результатов). (Сокращение объёма кода также нередко повышает скорость выполнения программы.)
Недостатки
- В силу машинной ориентации («низкого» уровня) языка ассемблера человеку сложнее читать и понимать программу на нём по сравнению с языками программирования высокого уровня; программа состоит из слишком «мелких» элементов — машинных команд, соответственно, 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, обыкновенно оказывается не лучше или даже хуже кода, порождаемого оптимизирующим компилятором для сравнимых программ, написанных на языке высокого уровня. [5]
- 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

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 мультимедийныхкодеков, 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, целиком написаны на языке ассемблера. При этом MenuetOS помещается на дискету и содержит графический многооконный интерфейс.
- Программирование микроконтроллеров (МК) и других встраиваемых процессоров. По мнению профессора Таненбаума, развитие МК повторяет историческое развитие компьютеров новейшего времени. [9] На сегодняшний день 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. Некоторые части драйверов программируют на языке ассемблера. Хотя в целом в настоящее время драйверы также стараются писать на языках высокого уровня в связи с повышенными требованиями к надёжности и достаточной производительностью современных процессоров и достаточным совершенством компиляторов с языков высокого уровня. Надёжность для драйверов играет особую роль, поскольку в Windows NT и UNIX (в том числе в Linux) драйверы работают в режиме ядра. Одна ошибка в драйвере может привести к краху всей системы.
- Создание антивирусов и других защитных программ.
- Написание трансляторов языков программирования.
Связывание программ на разных языках

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 соглашения вызова (англ. calling conventions ). Написаны же отдельные модули могут быть на любых языках, в том числе и на языке ассемблера.
Синтаксис

Синтаксис языка ассемблера определяется системой команд конкретного процессора.

Набор команд

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

Типичный формат записи команд:

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

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:
Похожие публикации: