Где писать на ассемблере

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.

Погружение в assembler. Полный курс по программированию на асме от ][

Это первая (вступительная) статья курса. Курс рассчитан на тех, кто в целом знаком с высокоуровневым программированием и только приступает к изучению ассемблера.

Читай далее:

Но что такое программирование само по себе по своей сути, вне зависимости от какого-либо языка? Разнообразие ответов поражает. Наиболее часто можно услышать такое определение: программирование — это составление инструкций или команд для последовательного исполнения их машиной с целью решить ту или иную задачу. Такой ответ вполне справедлив, но, на мой взгляд, не отражает всей полноты, как если бы мы назвали литературу составлением из слов предложений для последовательного прочтения их читателем. Я склонен полагать, что программирование ближе к творчеству, к искусству. Как любой вид искусства — выражение творческой мысли, идеи, программирование представляет собой отражение человеческой мысли. Мысль же бывает и гениальная, и совершенно посредственная.

Но, каким бы видом программирования мы ни занимались, успех зависит от практических навыков вкупе со знанием фундаментальных основ и теории. Теория и практика, изучение и труд — вот краеугольные камни, на которых основывается успех.

В последнее время ассемблер незаслуженно находится в тени других языков. Обусловлено это глобальной коммерциализацией, направленной на то, чтобы в максимально короткие сроки получить как можно большую прибыль от продукта. Иными словами, массовость взяла верх над элитарностью. А ассемблер, по моему мнению, ближе к последнему. Гораздо выгоднее в сравнительно небольшие сроки поднатаскать ученика в таких, например, языках, как С++, С#, PHP, Java, JavaScript, Python, чтобы он был более-менее способен создавать ширпотребный софт, не задаваясь вопросами, зачем и почему он так делает, чем выпустить хорошего специалиста по ассемблеру. Примером тому служит обширнейший рынок всевозможных курсов по программированию на любом языке, за исключением ассемблера. Та же тенденция прослеживается как в преподавании в вузах, так и в учебной литературе. В обоих случаях вплоть до сегодняшнего дня большая часть материала базируется на ранних процессорах серии 8086, на так называемом «реальном» 16-битном режиме работы, операционной среде MS-DOS! Возможно, что одна из причин в том, что, с одной стороны, с появлением компьютеров IBM PC преподавателям пришлось перейти именно на эту платформу из-за недоступности других. А с другой стороны, по мере развития линейки 80х86 возможность запуска программ в режиме DOS сохранялась, что позволяло сэкономить деньги на приобретение новых учебных компьютеров и составление учебников для изучения архитектуры новых процессоров. Однако сейчас такой выбор платформы для изучения совершенно неприемлем. MS-DOS как среда выполнения программ безнадежно устарела уже к середине девяностых годов, а с переходом к 32-битным процессорам, начиная с процессора 80386, сама система команд стала намного более логичной. Так что бессмысленно тратить время на изучение и объяснение странностей архитектуры реального режима, которые заведомо никогда уже не появятся ни на одном процессоре.

Что касается выбора операционной среды для изучения ассемблера, то, если говорить о 32-битной системе команд, выбор сравнительно невелик. Это либо операционные системы Windows, либо представители семейства UNIX.

Также следует сказать несколько слов о том, какой именно ассемблер выбрать для той или другой операционной среды. Как известно, для работы с процессорами х86 используются два типа синтаксиса ассемблера — это синтаксис AT&T и синтаксис Intel. Эти синтаксисы представляют одни и те же команды совершенно по-разному. Например, команда в синтаксисе Intel выглядит так:

В синтаксисе же AT&T уже будет иной вид:

В среде ОС UNIX более популярен синтаксис типа AT&T, однако учебных пособий по нему нет, он описывается исключительно в справочной и технической литературе. Поэтому логично выбрать ассемблер на основе синтаксиса Intel. Для UNIX-систем есть два основных ассемблера — это NASM (Netwide Assembler) и FASM (Flat Assembler). Для линейки Windows популярностью пользуются FASM и MASM (Macro Assembler) от фирмы Microsoft, и также существовал еще TASM (Turbo Assembler) фирмы Borland, которая уже довольно давно отказалась от поддержки собственного детища.

В данном цикле статей изучение будем вести в среде Windows на основе языка ассемблера MASM (просто потому, что он мне нравится больше). Многие авторы на начальном этапе изучения ассемблера вписывают его в оболочку языка си, исходя из тех соображений, что перейти к практическим примерам в операционной среде якобы довольно трудно: нужно знать и основы программирования в ней, и команды процессора. Однако и такой подход требует хоть мало-мальских начатков знаний в языке си. Данный же цикл статей от самого своего начала будет сосредоточен только на самом ассемблере, не смущая читателя ничем иным, ему непонятным, хотя в дальнейшем и будет прослеживаться связь с другими языками.

Следует отметить, что при изучении основ программирования, и это касается не только программирования на ассемблере, крайне полезно иметь представление о культуре консольных приложений. И совершенно нежелательно начинать обучение сразу же с создания окошечек, кнопочек, то есть с оконных приложений. Бытует мнение, что консоль — архаичный пережиток прошлого. Однако это не так. Консольное приложение почти лишено всякой внешней зависимости от оконной оболочки и сосредоточено главным образом на выполнении конкретно поставленной задачи, что дает прекрасную возможность, не отвлекаясь ни на что другое, концентрировать внимание на изучении базовых основ как программирования, так и самого ассемблера, включая знакомство с алгоритмами и их разработку для решения практических задач. И к тому моменту, когда настанет время перейти к знакомству с оконными приложениями, за плечами уже будет внушительный запас знаний, ясное представление о работе процессора и, самое главное, осознание своих действий: как и что работает, зачем и почему.

Что такое ассемблер?

Само слово ассемблер (assembler) переводится с английского как «сборщик». На самом деле так называется программа-транслятор, принимающая на входе текст, содержащий условные обозначения машинных команд, удобные для человека, и переводящая эти обозначения в последовательность соответствующих кодов машинных команд, понятных процессору. В отличие от машинных команд, их условные обозначения, называемые также мнемониками, запомнить сравнительно легко, так как они представляют собой сокращения от английских слов. В дальнейшем мы будем для простоты именовать мнемоники ассемблерными командами. Язык условных обозначений и называется языком ассемблера.

На заре компьютерной эры первые ЭВМ занимали целые комнаты и весили не одну тонну, имея объем памяти с воробьиный мозг, а то и того меньше. Единственным способом программирования в те времена было вбивать программу в память компьютера непосредственно в цифровом виде, переключая тумблеры, проводки и кнопочки. Число таких переключений могло достигать нескольких сотен и росло по мере усложнения программ. Встал вопрос об экономии времени и денег. Поэтому следующим шагом в развитии стало появление в конце сороковых годов прошлого века первого транслятора-ассемблера, позволяющего удобно и просто писать машинные команды на человеческом языке и в результате автоматизировать весь процесс программирования, упростить, ускорить разработку программ и их отладку. Затем появились языки высокого уровня и компиляторы (более интеллектуальные генераторы кода с более понятного человеку языка) и интерпретаторы (исполнители написанной человеком программы на лету). Они совершенствовались, совершенствовались — и, наконец, дошло до того, что можно просто программировать мышкой.

Таким образом, ассемблер — это машинно ориентированный язык программирования, позволяющий работать с компьютером напрямую, один на один. Отсюда и его полная формулировка — язык программирования низкого уровня второго поколения (после машинного кода). Команды ассемблера один в один соответствуют командам процессора, но поскольку существуют различные модели процессоров со своим собственным набором команд, то, соответственно, существуют и разновидности, или диалекты, языка ассемблера. Поэтому использование термина «язык ассемблера» может вызвать ошибочное мнение о существовании единого языка низкого уровня или хотя бы стандарта на такие языки. Его не существует. Поэтому при именовании языка, на котором написана конкретная программа, необходимо уточнять, для какой архитектуры она предназначена и на каком диалекте языка написана. Поскольку ассемблер привязан к устройству процессора, а тип процессора жестко определяет набор доступных команд машинного языка, то программы на ассемблере не переносимы на иную компьютерную архитектуру.

Поскольку ассемблер всего лишь программа, написанная человеком, ничто не мешает другому программисту написать свой собственный ассемблер, что часто и происходит. На самом деле не так уж важно, язык какого именно ассемблера изучать. Главное — понять сам принцип работы на уровне команд процессора, и тогда не составит труда освоить не только другой ассемблер, но и любой другой процессор со своим набором команд.

Синтаксис

Общепринятого стандарта для синтаксиса языков ассемблера не существует. Однако большинство разработчиков языков ассемблера придерживаются общих традиционных подходов. Основные такие стандарты — Intel-синтаксис и AT&T-синтаксис.

Общий формат записи инструкций одинаков для обоих стандартов:

Опкод — это и есть собственно ассемблерная команда, мнемоника инструкции процессору. К ней могут быть добавлены префиксы (например, повторения, изменения типа адресации). В качестве операндов могут выступать константы, названия регистров, адреса в оперативной памяти и так далее. Различия между стандартами Intel и AT&T касаются в основном порядка перечисления операндов и их синтаксиса при разных методах адресации.

Используемые команды обычно одинаковы для всех процессоров одной архитектуры или семейства архитектур (среди широко известных — команды процессоров и контроллеров Motorola, ARM, x86). Они описываются в спецификации процессоров.

Например, процессор Zilog Z80 наследовал систему команд Intel i8080, расширил ее и поменял некоторые команды (и обозначения регистров) на свой лад. Например, сменил Intel-команду mov на ld. Процессоры Motorola Fireball наследовали систему команд Z80, несколько ее урезав. Вместе с тем Motorola официально вернулась к Intel-командам, и в данный момент половина ассемблеров для Fireball работает с Intel-командами, а половина — с командами Zilog.

Директивы

Кроме ассемблерных команд, программа может содержать директивы — команды, не переводящиеся непосредственно в машинные инструкции, а управляющие работой компилятора. Набор и синтаксис их значительно разнятся и зависят не от аппаратной платформы, а от используемого компилятора. В качестве набора директив можно выделить:

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 передачи параметров) до условных конструкций и циклов;
макросы.

Достоинства и недостатки

К достоинствам можно отнести следующее:

минимальное количество избыточного кода (использование меньшего количества команд и обращений в память). Как следствие — большая скорость и меньший размер программы;
непосредственный доступ к аппаратуре: портам ввода-вывода, особым регистрам процессора;
возможность написания самомодифицирующегося кода (то есть возможность приложению создавать или изменять часть своего кода во время выполнения, причем без необходимости программного интерпретатора);
максимальная «подгонка» для нужной платформы (использование специальных инструкций, технических особенностей железа).

За недостатки можно принять:

большие объемы кода, большое число дополнительных мелких задач;
меньшее количество доступных библиотек, их малую совместимость;
плохую читабельность кода, трудность поддержки (отладка, добавление возможностей);
непереносимость на другие платформы (кроме двоично совместимых).

Почему следует изучать язык ассемблера?

В современной практике индустриального программирования языки ассемблера применяются крайне редко. Для разработки низкоуровневых программ практически в большинстве случаев используется язык си, позволяющий достигать тех же целей многократно меньшими затратами труда, причем с такой же, а иногда и большей эффективностью получаемого исполняемого кода (последнее достигается за счет применения оптимизаторов). На ассемблере сейчас реализуются очень специфические участки ядер операционных систем и системных библиотек. Более того, программирование на ассемблере было вытеснено и из такой традиционно ассемблерной области, как программирование микроконтроллеров. Большей частью прошивки для них также пишут на си. Тем не менее программирование на языке ассемблера очень часто применяется при написании программ, использующих возможности процессора, не реализуемые языками высокого уровня, а также при программировании всевозможных нестандартных программистских хитростей. Отдельные ассемблерные модули, как и ассемблерные вставки в текст на других языках, присутствуют и в ядрах операционных систем, и в системных библиотеках того же языка си и других языков высокого уровня. Сегодня едва ли кому придет в голову сумасшедшая мысль писать крупную программу на чистом ассемблере.

Так зачем же тратить время на его изучение? По ряду веских причин, и вот одна из них: ассемблер — это краеугольный камень, на котором покоится все бесконечное пространство программирования, начиная от рождения первого процессора. Каждый физик мечтает разгадать тайну строения вселенной, найти эти загадочные первичные неделимые (низкоуровневые) элементы, из которых она состоит, не удовлетворяясь лишь смутным о том представлением квантовой теории. Ассемблер же и есть та первичная материя, из которой состоит вселенная процессора. Он — тот инструмент, который дает человеку способность мыслить в терминах машинных команд. А подобное умение просто необходимо любому профессиональному программисту, даже если никогда в жизни он не напишет ни единой ассемблерной строчки. Нельзя отрицать того, что невозможно стать математиком, совершенно не имея понятия об элементарной арифметике. На каком бы языке вы ни писали программы, необходимо хотя бы в общих чертах понимать, что конкретно будет делать процессор, исполняя ваше высочайшее повеление. Если такого понимания нет, программист начинает бездумно применять все доступные операции, совершенно не ведая, что на самом деле он творит.

Вообще, профессиональный пользователь компьютера, системный ли администратор, или программист, может позволить себе что-то не знать, но ни в коем случае не может позволить не понимать сути происходящего, как устроена вычислительная система на всех ее уровнях, от электронных логических схем до громоздких прикладных программ. А непонимание чего-то влечет за собой ощущение в глубине подсознания некоей загадочности, непостижимого таинства, происходящего по мановению чьей-то волшебной палочки. Такое ощущение для профессионала недопустимо категорически. Он просто обязан быть уверен вплоть до глубинных слоев подсознания, что то устройство, с которым он имеет дело, ничего волшебного и непознаваемого собой не представляет.

Иными словами, до тех пор пока существуют процессоры, ассемблер будет необходим.

В этом отношении совершенно не важно, какую конкретно архитектуру и язык какого конкретного ассемблера изучать. Зная один язык ассемблера, ты с успехом можешь начать писать на любом другом, потратив лишь некоторое время на изучение справочной информации. Но самое главное в том, что, умея мыслить языком процессора, ты всегда будешь знать, что, для чего, почему и зачем происходит. А это уже не просто уровень программирования мышкой, а путь к созданию программного обеспечения, несущего печать великого мастерства.

Ассемблер — программирование или искусство?

Скажем так, все зависит от того, в чьих руках он находится. Ассемблер — это первичный элемент мира процессора, из сочетаний этих элементов складывается его душа, его самосознание. Подобно тому, как вся музыка, написанная в истории человечества, состоит из сочетаний семи нот, так и сочетание ассемблерных команд наполняет компьютерный мир цифровой жизнью. Кто знает лишь три аккорда — это «попса», кому же известна вся палитра — это классика.

Почему же наука так жаждет проникнуть в квантовые глубины и захватить в свои руки неуловимый первичный кирпичик материи? Чтобы получить над ней власть, изменять ее по своей воле, стать на уровень Творца Вселенной. В чьи руки попадет такая власть — это еще вопрос. В отличие от науки, в мире программирования тайн нет, нам известны кирпичики, его составляющие, а следовательно, и та власть над процессором, которую нам дает знание ассемблера.

Чтобы программирование на языке ассемблера поднялось на уровень искусства, нужно постичь его красоту, скрывающуюся за потоком единиц и нулей. Как и в любой отрасли человеческой деятельности, в программировании можно быть посредственностью, а можно стать Мастером. И то и другое отличает степень культуры, образования, труда и, главное, то, сколько души автор вкладывает в свое творение.

Ассемблер и терминатор

Не так давно Джеймс Кэмерон выпустил в свет 3D-версию второго «Терминатора», и в качестве интересного исторического факта можно отметить один любопытный момент из жизни киборга-убийцы.

Кадр из фильма «Терминатор»

Здесь мы видим «зрение» терминатора, а слева на нем отображается ассемблерный листинг. Судя по нему, знаменитый Уничтожитель работал на процессоре MOS Technology 6502 либо на MOS Technology 6510. Этот процессор впервые был разработан в 1975 году, использовался на компьютерах Apple и, помимо всего прочего, на знаменитых игровых приставках того времени Atari 2600 и Nintendo Entertainment System (у нас более известной как Dendy). Имел лишь три 8-разрядных регистра: А-аккумулятор и два индексных регистра X и Y. Такое малое их количество компенсировалось тем, что первые 256 байт оперативной памяти (так называемая нулевая страница) могли адресоваться специальным образом и фактически использовались в качестве 8-разрядных или 16-разрядных регистров. У данного процессора было 13 режимов адресации на всего 53 команды. У терминатора идет цепочка инструкций LDA-STA-LDA-STA. В семействе 6502 программы состояли чуть менее чем полностью из LDA/LDY/LDX/STA/STX/STY:

Чтение и запись в порты ввода-вывода также выполнялись этими командами, и программа терминатора имеет вполне осмысленный вид, а не представляет собой бестолковую фантазию сценариста: MOS Technology 6502 / Система команд.

Отрасли практического применения

Ранее упоминалось, что в наше время ассемблер почти вытеснен языками высокого уровня. Однако и по сей день ему находится применение. Приведем некоторые примеры.

Разработка встроенного программного обеспечения. Это небольшие программы, не требующие значительного объема памяти на таких устройствах, как, например, телефоны, автомобильные системы зажигания, системы безопасности, видео- и звуковые карты, модемы и принтеры. Ассемблер для этого идеальный инструмент.
В компьютерных игровых консолях для оптимизации и уменьшения объема кода и для быстродействия.
Для использования в программе новых команд, доступных на новых процессорах. Компилятор высокого уровня хоть и оптимизирует код при компиляции, но практически никогда не способен генерировать инструкции из расширенных наборов команд типа AVX, CTV, XOP. Потому что команды в процессоры добавляют быстрее, чем в компиляторах появляется логика для генерации этих команд.
Большая доля программ для графического процессора GPU пишется на ассемблере, наряду с языками высокого уровня HLSL или GLSL.
Для написания кода, создание которого невозможно или затруднено на языках высокого уровня, например получение дампа памяти/стека. Даже когда аналог на языке высокого уровня возможен, преимущество языка ассемблера может быть значительным. Например, реализация подсчета среднего арифметического двух чисел с учетом переполнения для x86 процессоров занимает всего две команды (сложение с выставлением флага переноса и сдвиг с займом этого флага). Аналог на языке высокого уровня ((long) x + y) >> 1 либо может не работать в принципе, ведь sizeof(long) == sizeof(int) , либо при компиляции конвертируется в огромнейшее количество команд процессора.
Написание вирусов и антивирусников. Единственный язык программирования для создания достойных инфекторов — CIH, Sality, Sinowal.
И конечно же, нельзя не упомянуть оборотную сторону медали: взлом, крэкинг и более легальный вариант — reverse engineering. Знание ассемблера — это мощнейший инструмент в руках реверсера. Ни дизассемблирование, ни отладка программ без знаний о нем невозможны.

Вместо заключения

Мы продолжим погружаться в ассемблер в следующих статьях цикла. Темы этого цикла мы в целом определили, но если у тебя есть какие-нибудь идеи или пожелания — смело пиши в комменты, все учтем. ��