Язык ассемблера

Содержание языка

Команды языка ассемблера один к одному соответствуют командам процессора, фактически, они представляют собой более удобную для человека символьную форму записи (мнемокод) команд и их аргументов.

Кроме того, язык ассемблера обеспечивает использование символических меток вместо адресов ячеек памяти, которые при ассемблировании заменяются на автоматически рассчитываемые абсолютные или относительные адреса, а также так называемых директив (команд, не переводящихся в процессорные инструкции, а выполняемых самим ассемблером).

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

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

Существуют компьютеры, реализующие в качестве машинного язык программирования высокого уровня (Forth, Lisp, Эль-76), фактически в них он является «ассемблером».

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Файл:Symbol support vote.svg Искусный программист, как правило, способен написать более эффективную программу на ассемблере, чем те, что генерируются трансляторами с языков программирования высокого уровня, то есть для программ на ассемблере характерно использование меньшего количества команд и обращений в память, что позволяет увеличить скорость и уменьшить размер программы.Шаблон:Нет АИ
• Файл:Symbol support vote.svg Обеспечение максимального использования специфических возможностей конкретной платформы, что также позволяет создавать более эффективные программы с меньшими затратами ресурсов.
• Файл:Symbol support vote.svg При программировании на ассемблере возможен непосредственный доступ к аппаратуре, в том числе портам ввода-вывода, регистрам процессора, и др.
• Файл:Symbol support vote.svg Язык ассемблера применяется для создания драйверов оборудования и ядра операционной системы
• Файл:Symbol support vote.svg Язык ассемблера используется для создания «прошивок» BIOS.
• Файл:Symbol support vote.svg С помощью языка ассемблера создаются компиляторы и интерпретаторы языков высокого уровня, а также реализуется совместимость платформ.
• Файл:Symbol support vote.svg Существует возможность исследования других программ с отсутствующим исходным кодом с помощью дизассемблера.

Недостатки

• Файл:Symbol oppose vote.svg Главное преимущество ассемблера практически полностью нивелируется хорошей оптимизацией в современных компиляторах языков высокого уровня.Шаблон:Нет АИ
• Файл:Symbol oppose vote.svg В силу своей машинной ориентации («низкого» уровня) человеку по сравнению с языками программирования высокого уровня сложнее читать и понимать программу, она состоит из слишком «мелких» элементов — машинных команд, соответственно усложняются программирование и отладка, растет трудоемкость, велика вероятность внесения ошибок. В значительной степени возрастает сложность совместной разработки.
• Файл:Symbol oppose vote.svg Как правило, меньшее количество доступных библиотек по сравнению с современными индустриальными языками программирования.
• Файл:Symbol oppose vote.svg Отсутствует переносимость программ на компьютеры с другой архитектурой и системой команд (кроме двоично-совместимых).

Применение

Исторически можно рассматривать ассемблер как второе поколение языков программирования ЭВМ (если первым считать машинный код). Недостатки ассемблера, сложность разработки на нем больших программных комплексов привели к появлению языков третьего поколения — языков программирования высокого уровня (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, обуславливаемую их уникальными преимуществами в части эффективности и возможности полного использования специфических средств конкретной платформы.

На ассемблере пишутся программы или фрагменты программ, для которых критически важны:

• быстродействие (драйверы, игры);
• объем используемой памяти (загрузочные сектора, встраиваемое (привет) программное обеспечение, программы для микроконтроллеров и процессоров с ограниченными ресурсами, вирусы, программные защиты).

С использованием программирования на ассемблере производятся:

• Оптимизация критичных к скорости участков программ написанных на языке высокого уровня, таком как C++. Это особенно актуально для игровых приставок, у которых фиксированная производительность, и для мультимедийных кодеков, которые стремятся делать менее ресурсоемкими и более популярными.
• Создание операционных систем (ОС). ОС часто пишут на Си, языке, который специально был создан для написания одной из первых версий Unix. Аппаратно зависимые участки кода, такие, как загрузчик ОС, уровень абстрагирования от аппаратного обеспечения — HAL и ядро, часто пишутся на ассемблере. Ассемблерного кода в ядрах Windows или Linux совсем немного, поскольку авторы стремятся к переносимости и надёжность, но тем не менее он присутствует. Некоторые любительские ОС, такие, как MenuetOS, целиком написаны на ассемблере. При этом MenuetOS помещается на дискету и содержит графический многооконный интерфейс.
• Программирование микроконтроллеров (МК) и других встраиваемых процессоров. По мнению профессора Танненбаума, развитие МК повторяет историческое развитие компьютеров новейшего времени.^[1] На сегодняшний день для программирования МК весьма часто применяют ассемблер. В МК приходится перемещать отдельные байты и биты между различными ячейками памяти. Программирование МК весьма важно, так как, по мнению Танненбаума, в автомобиле и квартире современного цивилизованного человека в среднем содержится 50 микроконтроллеров.^[2]
• Создание драйверов. Некоторые участки драйверов, взаимодействующие с аппаратным обеспечением, программируют на ассемблере. Хотя в целом в настоящее время драйверы стараются писать на языках высокого уровня в связи с повышенными требованиями к надёжности. Надёжность для драйверов играет особую роль, поскольку в Windows NT и Linux драйверы работают в режиме ядра. Одна ошибка может привести к краху системы.
• Создание антивирусов и других защитных программ.
• Написание трансляторов языков программирования.

Нелегальная сфера деятельности

Программирование на языке ассемблера характерно также для нелегальных сфер деятельности в ИТ, в частности, с использованием ассемблера производятся:

• Взлом программ. «Оригинал» ПО, копии которого продаются незаконно, если в нём использовались технические средства защиты авторских прав, вероятно, был взломан с помощью отладчика и знаний языка ассемблера. Это позволяет при помощи отладчика или дизассемблера найти внутри кода программы функцию, ответственную за ввод кода активации или прекращение работы демонстрационной версии программы. Взломщик может изменить исходный код программы при помощи специального редактора, либо создать генератор ключа. Первый способ более прост для конечного пользователя. Второй менее наказуем (УК РФ, ст. 272: до 2 лет).^[3]
• Создание вирусов и других вредоносных программ (УК РФ, ст. 273: до 3 лет, при тяжких последствиях до 7 лет).

Связывание программ на разных языках

Поскольку на ассемблере часто разрабатываются только фрагменты программ, их необходимо связывать с остальными частями программной системы, написанными на других языках программирования.

Это достигается 2 основными способами:

• На этапе компиляции — вставка в программу ассемблерных фрагментов (привет) с помощью специальных директив языка (в частности, данный способ поддерживается языком программирования Си), в том числе написание функций на языке ассемблера. Способ удобен для несложных преобразований данных, но полноценного ассемблерного кода, с данными и подпрограммами, включая подпрограммы с множеством входов и выходов, не поддерживаемых высокоуровневыми языками, с помощью него сделать нельзя.
• На этапе компоновки, или раздельной компиляции. Для взаимодействия скомпонованных модулей достаточно, чтобы связующие функции (определённые в одних модулях и использующиеся в других) поддерживали нужные соглашения вызова (привет) и типы данных. Написаны же отдельные модули могут быть на любых языках, в том числе и на ассемблере.

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, lea и т. д.)
• Арифметичекие команды (add, sub, imul и т. д.)
• Логические и побитовые операции (or, and, xor, shr и т. д.)
• Команды управления ходом выполнения программы (jmp, loop, ret и т. д.)
• Команды вызова прерываний (иногда относят к командам управления): int, into
• Команды ввода/вывода в порты (in, out)
• Для микроконтроллеров и микрокомпьютеров характерны также команды, выполняющие проверку и переход по условию, например:

• cbne — перейти, если не равно
• dbnz — декрементировать, и если результат ненулевой, то перейти
• cfsneq — сравнить, и если не равно, пропустить следующую команду

Инструкции

Типичный формат записи команд: <source lang="asm">[метка:] опкод [операнды] [;комментарий]</source>

где опкод (код операции) — непосредственно мнемоника инструкции процессору. К ней могут быть добавлены префиксы (повторения, изменения типа адресации и пр.).Обзор российского рынка банковской цифровизации: импортозамещение, искусственный интеллект и собственные экосистемы 6.4 т

В качестве операндов могут выступать константы, адреса регистров, адреса в оперативной памяти и пр.. Различия между стандартами Intel и AT&T касаются, в основном, порядка перечисления операндов и их синтаксиса при различных методах 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 i8080, расширил ее 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 интеловскими мнемониками, а половина с мнемониками Zilog.

Директивы

Программа на ассемблере 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 «джентельменского 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

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

Шаблон:Hider hiding

Шаблон:Hider hiding

Шаблон:Hider hiding

Шаблон:Hider hiding

Шаблон:Hider hiding

Происхождение и критика термина «язык ассемблера»

Данный тип языков получил свое название от названия транслятора (компилятора) с этих языков — ассемблера (привет — 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.

В СССР язык ассемблера ранее называли «автокод».

Примечания

См. также

• b:Ассемблер в Linux для программистов C

Ссылки

• WASM.ru — портал, посвящённый информационной безопасности и программированию на языках ассемблера.

Литература

• 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.
• 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. — Шаблон:СПб: БХВ-Петербург, 2007. — 384 с. — ISBN 978-5-94157-709-5
• Крис Касперски. Искусство дизассемблирования. — Шаблон:СПб: БХВ-Петербург, 2008. — 896 с. — ISBN 978-5-9775-0082-1
• Владислав Пирогов. Ассемблер для Windows. — Шаблон:СПб: БХВ-Петербург, 2007. — 896 с. — ISBN 978-5-9775-0084-5
• Владислав Пирогов. Ассемблер и дизассемблирование.. — Шаблон: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.