Специфика системных программ, ориентированных на непосредственное взаимодействие с физическими устройствами компьютера, а так же необходимость доступа ко всем его аппаратным возможностям, часто не позволяют создавать элементы программ средствами языков высокого уровня. Более того, исполняемый код, порождаемый компиляторами, менее эффективен, чем код, созданный вручную. Поэтому повышенные требования к быстродействию и объему программ вызывают необходимость использования машинных команд или языка ассемблера.
Ассемблер (assembler, assembly language – монтаж, сборка) – язык программирования, понятия которого отражают архитектуру ЭВМ. Обеспечивает доступ к регистрам, указание методов адресации и описание операций в терминах команд конкретного процессора. Ассемблер, содержащий средства более высокого уровня: встроенные и определяемые макрокоманды, соответствующие нескольким машинным командам, автоматический выбор команды в зависимости от типов операндов, средства описания структур данных и т.д., является макроассемблером .
Язык ассемблера используется при:
1. Создании драйверов низшего уровня и некоторых других программ, требующих прямого доступа к потенциальным возможностям компьютера.
2. Достижении наибольшей эффективности использования вычислительных ресурсов при вычислениях с большим количеством вложенных циклов. Самые внутренние циклы часто программируются на языке ассемблера.
3. Решении задач в реальном масштабе времени, то есть управляющих программ, которые требуют быстрой реакции вычислительной системы на внешние воздействия, и процессы, строго привязанные к определенным моментам времени. Более того, управляющие однокристальные ЭВМ обычно имеют маленький объем памяти.
4. Для управляющих ЭВМ набор языков программирования очень ограничен. Обычно это ассемблер и Си, причем последний часто отсутствует.
Изучение языка ассемблера дает понимание организации вычислительных процессов в процессоре, принципов его работы и позволяет создавать оптимальные программы и на языках высокого уровня.
Язык Турбо Паскаль допускает три основных вида доступа ко всем аппаратным возможностям ЭВМ:
1. Можно запрограммировать подпрограммы вне среды Паскаль на языке ассемблера или любом другом языке программирования и подключить полученный после ассемблирования или трансляции объектный модуль к Паскаль-программе.
2. Начиная с шестой версии в Паскале появились средства включения в текст программ фрагментов на языке ассемблера. Эти средства называются «встроенный ассемблер».
3. Можно непосредственно включать в текст программы фрагменты, написанные в машинном коде. Эти средства оставлены для совместимости с предыдущими версиями Турбо Паскаля и сейчас практически не используются и здесь не рассматриваются.
После трансляции с большинства языков программирования получается промежуточный объектный файл (OBJ-файл). Кроме непосредственно кодов он содержит некоторую дополнительную информацию.
Для подключения внешних подпрограмм в Паскале используется директива external , следующая за заголовком подпрограммы. Кроме этого, где-либо в тексте программы надо задать директиву компилятора $L, аргументом которой является имя OBJ-файла, содержащего код подключаемой подпрограммы, например:
Procedure SRoots(A,B,C:real); external;
Procedure CRoots(B,C,D.F:real); external;
Для обеспечения корректности такого подключения необходимо соблюдать определенные межъязыковые соглашения о связях, принятые в системе Турбо Паскаль.
Средства встроенного ассемблера позволяют подключать ассемблерный текст непосредственно в Паскаль-программы, что гораздо удобнее и гибче, чем техника подключения независимо разработанных ассемблерных программ с помощью аппарата внешних подпрограмм.
Встроенный ассемблер реализует подмножество языка ассемблера, совместимого с языками Turbo Assembler фирмы Borland (TASM) и макроассемблера фирмы Microsoft (MASM). Хотя некоторые возможности по описанию структур не реализованы, но они во многом соответствуют описаниям Паскаль-объектов – констант, переменных, подпрограмм.
Средства, образующие встроенный ассемблер, организованы в виде двух конструкций: ассемблерные операторы (asm-операторы) и ассемблерные подпрограммы.
Структура asm-оператора:
<команды (операторы) ассемблера>
Например:
mov ah, 12 {работа с клавиатурой}
{информация о статусе смены регистра}
Обычно комментарии на ассемблере следуют за точкой с запятой. Но в asm-операторах используются ограничители, принятые для Паскаля – { } и (* *). Точкой с запятой могут разделяться команды ассемблера, но обычно используется общепринятый разделитель – переход на новую строку.
Поэтому возможна следующая запись:
mov ax,Left; xchg ax,Right; mov Left,ax;
Синтаксис команды:
[метка:][префикс] инструкция [операнд[,операнд]]
Инструкцией является мнемоническое обозначение действия, выполняемого командой.
Особенности использования asm-операторов.
1. Использование регистров . В связи с тем, что Паскаль использует некоторые регистры в своих целях, не допускается изменять содержимое регистров BP, SP, SS и DS.
2. Метки . Образование меток такое же, как и в Паскале. Они могут быть глобальными или локальными в asm-операторе. Но в последнем случае они не описываются и должны начинаться с символа «@».
3. Коды инструкций . Поддерживаются только все коды инструкций процессора i8086. Для использования расширения этих кодов для процессора i80286 и арифметических сопроцессоров необходимо использовать специальные директивы компилятора.
4. Зарезервированные слова . Для совместимости с ассемблером используется 41 зарезервированное слово, имеющее область действия только в asm-операторах. Эти слова имеют приоритет над именами пользователя, например:
Здесь единица загружается в регистр процессора Ch, а не в ячейку памяти с именем Ch. Для указания описанного имени, совпадающего с зарезервированным словом, надо использовать перед именем символ «&»:
5. Выражения. Использование выражений существенно отличается в Паскале и ассемблере. В Паскале упоминание переменной понимается как ее содержимое, а в asm-операторах обозначает адрес или константу. Поэтому оператор для х,
описанного как переменная, не помещает значение х+4 в АХ, а загружает в регистр значение слова, хранящегося по адресу, на 4 байта большему х. Для увеличения х на 4 выполняются действия:
Но записывать константы возможно следующим образом:
6. Есть 3 специальных переменных, одна из которых
@Result ,
обозначает переменную с результатом функции. Например, функция
эквивалентна
Function Sum(x,y:integer):integer;
Для чисто ассемблерных подпрограмм может использоваться директива assembler . Это позволяет записывать подпрограммы полностью на языке ассемблера, с отсутствием операторных скобок и единственным asm-оператором:
Function LongMul(x,y:integer):longint; assembler;
Использование @Result здесь не допускается, так как компилятор не образует переменную для результата функции. Обмен данными производится через регистры.
Ассе́мблер (asm, assembler); от англ. assemble - собирать, монтировать) - язык программирования низкого уровня, вспомогательная программа в составе операционной системы для автоматического перевода исходной программы, подлежащей выполнению на компьютере, на машинный язык; вид транслятора . Понятия ассемблера отражают архитектуру электронно-вычислительной машины. Ассемблер - символьная форма записи машинного языка, использование которой упрощает написание машинных программ. Для одного и того же компьютера могут быть разработаны разные языки ассемблера. В отличие от языков высокого уровня, в котором проблемы реализации алгоритмов скрыты от разработчиков, язык ассемблера тесно связан с системой команд компьютера. Ассемблер обеспечивает доступ к регистрам, указание методов адресации и описание операций в терминах команд процессора. Он может содержать средства более высокого уровня: встроенные и определяемые макрокоманды, соответствующие нескольким машинным командам, автоматический выбор команды в зависимости от типов операндов, средства описания структур данных.
Особенности ассемблера
Ассемблером называют также компилятор с языка ассемблера в команды машинного языка. Другое название такого компилятора - мнемокод. Он предназначен для представления в удобном (мнемоническом) виде машинных кодов команд, обеспечивает эффективное использование ресурсов системы (процессор, память, периферия). Мнемокод используется в местах, где требуется быстродействие, ограничен по размер оперативной памяти. Ассемблером также называют иногда систему команд центрального процессора.
Под каждую архитектуру процессора и под каждую операционную систему существует свой ассемблер. Кросс-ассемблеры позволяют на машинах с одной архитектурой ассемблировать программы для другой архитектуры или другой операционной системы. Ассемблер обеспечивает доступ к регистрам, указание методов адресации и описание операций в терминах команд процессора. Ассемблер может содержать средства высокого уровня: встроенные и определяемые макрокоманды, соответствующие нескольким машинным командам, автоматический выбор команды в зависимости от типов операндов, средства описания структур данных.
Команды языка ассемблера соответствуют командам процессора и представляют собой символьную форму записи команд и аргументов. Язык ассемблер обеспечивает связывание частей программы и данныx через метки, выполняемое при ассемблировании (для каждой метки высчитывается адрес, после чего каждое вхождение метки заменяется на этот адрес). Поскольку системы команд микропроцессоров различаются, каждый процессор имеет свой набор команд на языке ассемблера и свои компиляторы-ассемблеры.
Обычно программы или участки кода пишутся на языке ассемблера в случаях, когда разработчику нужно оптимизировать быстродействие (при создании драйверов), размер кода. Большинство компиляторов позволяют комбинировать в одной программе, код написанный на разных языках программирования. Это позволяет писать сложные программы используя высокоуровневый язык, не теряя быстродействия в критических ко времени задачах, используя для них части написанные на языке ассемблера. Комбинирование достигается вставкой фрагментов на языке ассемблера в текст программы (специальными директивами языка) или написанием процедур на языке ассемблера. Этот способ используется для несложных преобразований данных, но он неприменим в полноценном ассемблерном коде с данными и подпрограммами с множеством входов и выходов, не поддерживаемых высокоуровневыми языками.
В таком случае используют модульную компиляцию, когда каждый файл программы компилируется в объектный модуль, которые затем линкуются (связываются) в готовую программу. Объектные файлы представляют собой блоки машинного кода и данных, с неопределенными адресами ссылок на данные и процедуры в других объектных модулях, а также список своих процедур и данных. Линкер собирает код и данные каждого объектного модуля в программу, вычисляет и заполняет адреса перекрестных ссылок между модулями. В процессе линковки происходит связывание программы со статическими и динамическими библиотеками (являющихся архивами объектных файлов).При модульной компиляции каждый объектный модуль программы может быть написан на своем языке программирования и скомпилирован своим компилятором (ассемблером).
Для того чтобы машина могла выполнить команды человека на аппаратном уровне, необходимо задать определенную последовательность действий на языке «ноликов и единиц». Помощником в этом деле станет Ассемблер. Это утилита, которая работает с переводом команд на машинный язык. Однако написание программы - весьма трудоемкий и сложный процесс. Данный язык не предназначен для создания легких и простых действий. На данный момент любой используемый язык программирования (Ассемблер работает прекрасно) позволяет написать специальные эффективные задачи, которые сильно влияют на работу аппаратной части. Основным предназначением является создание микрокоманд и небольших кодов. Данный язык дает больше возможностей, чем, например, Паскаль или С.
Краткое описание языков Ассемблера
Все языки программирования разделяются по уровням: низкий и высокий. Любой из синтаксической системы «семейки» Ассемблера отличается тем, что объединяет сразу некоторые достоинства наиболее распространенных и современных языков. С другими их роднит и то, что в полной мере можно использовать систему компьютера.
Отличительной особенностью компилятора является простота в использовании. Этим он отличается от тех, которые работают лишь с высокими уровнями. Если взять во внимание любой такой язык программирования, Ассемблер функционирует вдвое быстрее и лучше. Для того чтобы написать в нем легкую программу, не понадобится слишком много времени.
Кратко о структуре языка
Если говорить в общем о работе и структуре функционирования языка, можно точно сказать, что его команды полностью соответствуют командам процессора. То есть Ассемблер использует мнемокоды, наиболее удобные человеку для записи.
В отличие от других языков программирования, Ассемблер использует вместо адресов для записи ячеек памяти определенные метки. Они с процессом выполнения кода переводятся в так называемые директивы. Это относительные адреса, которые не влияют на работу процессора (не переводятся в машинный язык), а необходимы для распознавания самой средой программирования.
Для каждой линейки процессора существует своя При таком раскладе правильным будет любой процесс, в том числе и переведенный
Язык Ассемблера имеет несколько синтаксисов, которые будут рассмотрены в статье.
Плюсы языка
Наиболее важным и удобным приспособлением языка Ассемблера станет то, что на нем можно написать любую программу для процессора, которая будет весьма компактной. Если код оказывается огромным, то некоторые процессы перенаправляет в оперативную память. При этом они все выполняют достаточно быстро и без сбоев, если конечно, ими управляет квалифицированный программист.
Драйвера, операционные системы, BIOS, компиляторы, интерпретаторы и т. д. - это все программа на языке Ассемблера.
При использовании дизассемблера, который совершает перевод из машинного в можно запросто понять, как работает та или иная системная задача, даже если к ней нет пояснений. Однако такое возможно лишь в том случае, если программы легкие. К сожалению, в нетривиальных кодах разобраться достаточно сложно.
Минусы языка
К сожалению, начинающим программистам (и зачастую профессионалам) трудно разобрать язык. Ассемблер требует подробного описания необходимой команды. Из-за того, что нужно использовать машинные команды, растет вероятность ошибочных действий и сложность выполнения.
Для того чтобы написать даже самую простую программу, программист должен быть квалифицированным, а его уровень знаний достаточно высоким. Средний специалист, к сожалению, зачастую пишет плохие коды.
Если платформа, для которой создается программа, обновляется, то все команды необходимо переписывать вручную - этого требует сам язык. Ассемблер не поддерживает функцию автоматического регулирования работоспособности процессов и замену каких-либо элементов.
Команды языка
Как уже было сказано выше, для каждого процессора имеется свой набор команд. Простейшими элементами, которые распознаются любыми типами, являются следующие коды:
Использование директив
Программирование микроконтроллеров на языке (Ассемблер это позволяет и прекрасно справляется с функционированием) самого низкого уровня в большинстве случаев заканчивается удачно. Лучше всего использовать процессоры с ограниченным ресурсом. Для 32-разрядной техники данный язык подходит отлично. Часто в кодах можно заметить директивы. Что же это? И для чего используется?
Для начала необходимо сделать акцент на том, что директивы не переводятся в машинный язык. Они регулируют выполнение работы компилятором. В отличие от команд, эти параметры, имея различные функции, отличаются не благодаря разным процессорам, а за счет другого транслятора. Среди основных директив можно выделить следующие:
Происхождение названия
Благодаря чему получил название язык - "Ассемблер"? Речь идет о трансляторе и компиляторе, которые и производят зашифровку данных. С английского Assembler означает не что иное, как сборщик. Программа не была собрана вручную, была использована автоматическая структура. Более того, на данный момент уже у пользователей и специалистов стерлась разница между терминами. Часто Ассемблером называют языки программирования, хотя это всего лишь утилита.
Из-за общепринятого собирательного названия у некоторых возникает ошибочное решение, что существует единый язык низкого уровня (или же стандартные нормы для него). Чтобы программист понял, о какой структуре идет речь, необходимо уточнять, для какой платформы используется тот или иной язык Ассемблера.
Макросредства
Языки Ассемблера, которые созданы относительно недавно, имеют макросредства. Они облегчают как написание, так и выполнение программы. Благодаря их наличию, транслятор выполняет написанный код в разы быстрее. При создании условного выбора можно написать огромный блок команд, а проще воспользоваться макросредствами. Они позволят быстро переключаться между действиями, в случае выполнения условия или невыполнения.
При использовании директив макроязыка программист получает макросы Ассемблера. Иногда он может широко использоваться, а иногда его функциональные особенности снижаются до одной команды. Их наличие в коде облегчает работу с ним, делает его более понятным и наглядным. Однако следует все равно быть внимательным - в некоторых случаях макросы, наоборот, ухудшают ситуацию.
Язык ассе́мблера (англ. assembly language ) - машинно-ориентированный язык низкого уровня с командами, обычно соответствующими командам машины, который может обеспечить дополнительные возможности вроде макрокоманд; автокод, расширенный конструкциями языков программирования высокого уровня, такими как выражения, макрокоманды, средства обеспечения модульности программ. Автокод - язык программирования, предложения которого по своей структуре в основном подобны командам и обрабатываемым данным конкретного машинного языка.
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).
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.
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.
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, использоватьмакрокоманды 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
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.)
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:
Обеспечение максимального использования специфических возможностей конкретной платформы, что также позволяет создавать более эффективные программы, в том числе менее ресурсоёмкие.
При программировании на языке ассемблера возможен непосредственный доступ к аппаратуре, и, в частности, портам ввода-вывода, регистрам процессора и др.
Язык ассемблера часто применяется для создания драйверов оборудования и ядра операционной системы (или машиннозависимых подсистем ядра ОС).
Язык ассемблера используется для создания «прошивок» BIOS.
С помощью языка ассемблера часто создаются машиннозависимые подпрограммы компиляторов и интерпретаторы языков высокого уровня, а также реализуется совместимостьплатформ.
С помощью дизассемблера возможно исследовать существующие программы при отсутствии исходного кода.
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.
Программа на языке высокого уровня может быть перекомпилирована с автоматической оптимизацией под особенности новой целевой платформы, программа же на языке ассемблера на новой платформе может потерять своё преимущество в скорости без ручного переписывания кода.
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 мультимедийных кодеков, которые стремятся делать менее ресурсоёмкими и более быстрыми.
Создание операционных систем (ОС) или их компонентов. В настоящее время подавляющее большинство ОС пишут на более высокоуровневых языках (в основном на Си - языке высокого уровня, который специально был создан для написания одной из первых версий UNIX). Аппаратно зависимые участки кода, такие как загрузчик ОС, уровеньабстрагирования 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. 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.
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:
[ метка:] мнемокод [ операнды] [ ;комментарий]
где мнемокод - непосредственно мнемоника инструкции процессору. К ней могут быть добавлены префиксы (повторения, изменения типа адресации и пр.).
В качестве операндов могут выступать константы, адреса регистров, адреса в оперативной памяти и пр. Различия между синтаксисом Intel и AT&T касаются в основном порядка перечисления операндов и указания различных методов адресации.
Используемые мнемоники обычно одинаковы для всех процессоров одной архитектуры или семейства архитектур (среди широко известных - мнемоники процессоров и контроллеровx86, 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:
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),
Сверхвысокоуровневый язык программирования (язык программирования сверхвысокого уровня, VHLL - very high-level programming language) - язык программирования с очень высоким уровнем абстракции. В отличие от языков программирования высокого уровня, где описывается принцип «как нужно сделать», в сверхвысокоуровневых языках программирования описывается лишь принцип «что нужно сделать». Термин впервые появился в середине 1990-х годов для идентификации группы языков, используемых для быстрого прототипирования, написания одноразовых скриптов и подобных задач.
Так, разработчики Icon (и его диалекта Unicon ) описывают его как VHLL. К языкам сверхвысокого уровня также часто относят такие современные скриптовые и декларативные (в частности функциональные) языки как Python, Ruby и Haskell, а также Perl и предшествовавший ему мини-язык AWK.
Большой класс языков сверхвысокого уровня - это языки используемые для специфических приложений и задач (то есть предметно-ориентированные). В связи с этой ограниченностью они могут использовать синтаксис, который никогда не используется в других языках программирования, например, непосредственно синтаксис английского языка. Примером VHLL, распознающего синтаксис английского языка, может служить язык компилятора текстовых квестов Inform версии 7.
Оригинал: Get started in assembly language. Part 1
Автор: Mike Saunders
Дата публикации: 30 октября 2015 г.
Перевод: А.Панин
Дата перевода: 10 ноября 2015 г.
Часть 1: Преодолеваем ограничения высокоуровневых языков программирования и разбираемся, как на самом деле работает центральный процессор.
Для чего это нужно?
- Для понимания принципов работы компиляторов.
- Для понимания инструкций центрального процессора.
- Для оптимизации вашего кода в плане производительности.
Большинство людей считает, что язык ассемблера мало чем отличается от черной магии и является частью темного и страшного мира, в который рискует войти лишь 0.01% лучших разработчиков программного обеспечения. Но на самом деле это красивый и очень доступный язык программирования. Вам стоит изучить его основы хотя бы для того, чтобы лучше понимать механизм генерации кода компиляторами, принцип работы центральных процессоров, а также лучше представлять принцип работы компьютеров. Язык ассемблера по своей сути является текстовым представлением инструкций, которые исполняет центральный процессор, с некоторыми дополнительными возможностями, упрощающими процесс программирования.
На сегодняшний день никто в здравом уме не станет разрабатывать мощное приложение для настольного компьютера на языке ассемблера. Ведь код такого приложения будет слишком запутанным, процесс отладки приложения будет значительно усложнен, кроме того придется приложить колоссальные усилия, чтобы портировать это приложение для работы с другими архитектурами центральных процессоров. Но при этом язык ассемблера все же используется для различных целей: многие драйверы из состава ядра Linux содержат фрагменты кода на языке ассемблера, который используется как из-за того, что является лучшим языком программирования для непосредственного взаимодействия с аппаратным обеспечением, так и из соображения повышения скорости работы драйверов. Также в определенных случаях код, написанный вручную на языке ассемблера, может работать быстрее кода, сгенерированного компилятором.
В статьях данной серии мы будем подробно исследовать мир языка ассемблера. В данной статье мы рассмотрим лишь базовые приемы программирования, в статье из следующего номера журнала разберемся с более сложными вопросами, после чего закончим рассмотрение языка ассемблера написанием простой загружающейся операционной системы - она не сможет выполнять какой-либо полезной работы, но будет основываться на вашем коде и работать непосредственно с аппаратным обеспечением без необходимости загрузки каких-либо сторонних ОС. Звучит неплохо, не правда ли? Давайте начнем
Ваша первая программа на языке ассемблера
Многие руководства по программированию на языке ассемблера начинаются с длинных, запутанных и утомительных разделов, в которых осуществляется бесконечное рассмотрение вопросов бинарной арифметики и теории проектирования центральных процессоров, причем эти разделы не содержат какого-либо реального кода. Я считаю, что подобные материалы сводят на нет интерес читателя, поэтому мы начнем непосредственно с рассмотрения кода реальной программы. После этого мы рассмотрим каждую из строк кода этой программы для того, чтобы вы поняли принцип работы ассемблера на основе практического примера.
Некоторые текстовые редакторы, такие, как Vim, осуществляют подсветку синтаксиса языка ассемблера (попробуйте использовать команду set syn=nasm )
Скопируйте следующий код в в текстовое поле любого текстового редактора и сохраните его в файле с именем myfirst.asm в вашей домашней директории:
Section .text global _start _start: mov ecx, message mov edx, length mov ebx, 1 mov eax, 4 int 0x80 mov eax, 1 int 0x80 section .data message db "Assembly rules!", 10 length equ $ - message
(Примечание: для отступов в коде вы можете использовать как как символы пробелов, так и символы табуляции - это не имеет значения.) Данная программа просто выводит строку "Assembly rules!" на экран и завершает работу.
Инструмент, который мы будем использовать для преобразования данного кода языка ассемблера в исполняемый бинарный файл носит довольно забавное название "ассемблер". Существует много различных ассемблеров, но моим любимым ассемблером является NASM; он находится в репозитории пакетов программного обеспечения практически любого дистрибутива, поэтому вы можете установить его с помощью менеджера пакетов программного обеспечения с графическим интерфейсом, команды yum install nasm , apt-get install nasm или любой другой команды, актуальной для вашего дистрибутива.
Теперь откройте окно эмулятора терминала и введите следующие команды:
Nasm -f elf -o myfirst.o myfirst.asm ld -m elf_i386 -o myfirst myfirst.o
Первая команда предназначена для генерации с помощью NASM (исполняемого) файла объектного кода с именем myfirst.o формата ELF (формат исполняемых файлов, используемый в Linux). Вы можете спросить: "Для чего генерируется файл объектного кода, ведь логичнее сгенерировать файл с инструкциями центрального процессора, которые он должен исполнять?" Ну, вы могли бы использовать исполняемый файл с инструкциями центрального процессора в операционных системах 80-х годов, но современные операционные системы предъявляют больше требований к исполняемым файлам. Бинарные файлы формата ELF включают информацию для отладки, они позволяют разделить код и данные благодаря наличию отдельных секций, что позволяет предотвратить переписывание данных в этих секциях.
Позднее в процессе рассмотрения методики написания кода для работы непосредственно с аппаратным обеспечением (для нашей минималистичной операционной системы) в рамках данной серии статей мы уделим внимание и таким бинарным файлам с инструкциями центрального процессора.
Взгляд в прошлое
На данный момент в нашем распоряжении имеется файл myfirst.o с исполняемым кодом нашей программы. При этом процесс сборки программы еще не завершен; с помощью линковщика ld мы должны связать код из этого файла со специальным системным кодом запуска программ (т.е., шаблонным кодом, который исполняется при запуске каждой программы) для генерации исполняемого файла с именем myfirst . (Параметр elf_i386 описывает тип бинарного формата - в данном случае это означает, что вы можете использовать 32-битный ассемблерный код даже если вы используете 64-битный дистрибутив.)
Если процесс сборки программы пройдет успешно, вы сможете выполнить вашу программу с помощью следующей команды:
В результате вы должны увидеть вывод: "Assembly rules!". Это означает, что вы добились своего - создали полноценную независимую программу для Linux, код которой написан полностью на языке ассемблера. Разумеется, данная программа не выполняет каких-либо полезных действий, но при этом она является отличным примером, демонстрирующим структуру программы на языке ассемблера и позволяющим проследить процесс преобразования исходного кода в бинарный файл.
Перед тем, как мы перейдем к углубленному изучению кода, было бы неплохо узнать размер бинарного файла нашей программы. После выполнения команды ls -l myfirst вы увидите, что размер бинарного файла равен примерно 670 байтам. Теперь оценим размер эквивалентной программы на языке C:
#include
Если вы сохраните этот код в файле с именем test.c , скомпилируете его (gcc -o test test.c ) и рассмотрите параметры результирующего бинарного файла с именем test , вы обнаружите, что этот файл имеет гораздо больший размер - 8.4k. Вы можете удалить из этого файла отладочную информацию (strip -s test ), но и после этого его размер сократится незначительно, лишь до 6 k. Это объясняется тем, что компилятор GCC добавляет большой объем упомянутого выше кода для запуска и завершения работы приложения, а также связывает приложение с библиотекой языка программирования C большого размера. Благодаря данному примеру несложно сделать вывод о том, что язык ассемблера является лучшим языком программирования для разработки приложений, предназначенных для эксплуатации в условиях жесткого ограничения объема носителя данных.
Следует упомянуть о том, что многие разработчики, использующие язык ассемблера, получают отличные зарплаты за разработку кода для ограниченных в плане ресурсов встраиваемых устройств и именно поэтому язык ассемблера является единственным реальным вариантом для разработки игр для старых 8-битных консолей и домашних компьютеров.
Дизассемблирование кода
Разработка нового кода является увлекательным занятием, но еще более интересным занятием может оказаться исследования чужой работы. Благодаря инструменту под названием objdump (из пакета Binutils) вы можете "дизассемблировать" исполняемый файл, а именно, преобразовать инструкции центрального процессора в их текстовые эквиваленты. Попытайтесь использовать данный инструмент по отношению к бинарному файлу myfirst, над которым мы работали в данном руководстве, следующим образом:
Objdump -d -M intel myfirst
Вы увидите список инструкций из секции кода бинарного файла. Например, первая инструкция, с помощью которой мы поместили информацию о расположении нашей строки в регистр ecx, выглядит следующим образом:
Mov ecx,0x80490a0
В процессе ассемблирования NASM заменил метку строки "message" на числовое значение, соответствующее расположению этой строки в секции данных бинарного файла. Таким образом, результаты дизассемблирования бинарных файлов менее полезны, чем их оригинальный код, ведь в них отсутствуют такие вещи, как комментарии и строки, но они все же могут оказаться полезными для ознакомления с реализациями критичных к времени исполнения функций или взлома систем защиты приложений. Например, в 80-х и 90-х годах многие разработчики использовали инструменты для дизассемблирования программ с целью идентификации и нейтрализации систем защиты от копирования игр.
Вы также можете дизассемблировать программы, разработанные с использованием других языков программирования, но полученные при этом результаты дизассемблирования могут быть значительно усложнены. Например, вы можете выполнить приведенную выше команду objdump по отношению к бинарному файлу /bin/ls и самостоятельно оценить тысячи строк из секции кода, сгенерированные компилятором на основе оригинального исходного кода утилиты на языке C.
Анализ кода
А теперь давайте обсудим назначение каждой из строк кода нашей программы. Начнем с этих двух строк:
Section .text global _start
Это не инструкции центрального процессора, а директивы ассемблера NASM ; первая директива сообщает о том, что приведенный ниже код должен быть расположен в секции кода "text" финального исполняемого файла. Немного неочевидным является тот факт, что секция с названием "text" содержит не обычные текстовые данные (такие, как наша строка "Assembly rules!"), а исполняемый код, т.е., инструкции центрального процессора. Далее расположена директива global _start , сообщающая линковщику ld о том, с какой точки должно начаться исполнение кода из нашего файла. Эта директива может оказаться особенно полезной в том случае, если мы захотим начинать исполнение кода не с самого начала секции кода, а из какой-либо заданной точки. Параметр global позволяет читать данную директиву не только ассемблеру, но и другим инструментам, поэтому она обрабатывается линковщиком ld .
Как было сказано выше, исполнение кода должно начинаться с позиции _start . Ввиду этого мы явно указываем соответствующую позицию в нашем коде:
Отдельные слова с символами двоеточия в конце называются метками и предназначены для указания позиций в коде, к которым мы можем перейти (подробнее об этом в следующей статье серии). Таким образом, исполнение программы начинается с этой строки! Кроме того, мы наконец достигли первой реальной инструкции центрального процессора:
Mov ecx, message
Язык ассемблера является по своей сути набором мнемоник для инструкций центрального процессора (или машинного кода). В данном случае mov является одной из таких инструкций - она также может быть записана в понятном центральному процессору бинарном формате, как 10001011. Но работа с бинарными данными может превратиться в кошмар для нас, обычных людей, поэтому мы будем использовать эти более читаемые варианты. Ассемблер просто преобразует текстовые инструкции в их бинарные эквиваленты - хотя он и может выполнять дополнительную работу, о которой мы поговорим в следующих статьях серии.
В любом случае, для того, чтобы понять назначение данной строки кода, нам также необходимо понять концепцию регистров. Центральные процессоры не выполняют каких-либо особенно сложных операций - они просто перемещают данные в памяти, используют их для осуществления вычислений и выполняют другие операции в зависимости от результатов. Центральный процессор не имеет малейшего представления о том, что такое монитор, мышь или принтер. Он просто перемещает данные и осуществляет несколько типов вычислений.
В данный момент главным хранилищем для используемых центральным процессором данных являются ваши банки оперативной памяти. Но ввиду того, что оперативная память находится за пределами центрального процессора, на осуществление доступа к ней тратится много времени. Для ускорения и упрощения описанного процесса центральный процессор содержит свою собственную небольшую группу ячеек памяти, называемую регистрами. Инструкции центрального процессора могут использовать эти регистры напрямую, причем в рассматриваемой строке кода мы используем регистр с именем ecx .
Это 32-х битный регистр (следовательно, он может хранить числа из диапазона от 0 до 4,294,967,295). При рассмотрении следующих строк кода вы увидите, что мы также работаем с регистрами edx , ebx и eax - это регистры общего назначения, которые могут использоваться для выполнения любых задач, в отличие от специализированных регистров, с которыми мы познакомимся в следующем месяце. А это небольшое пояснение для тех, кому не терпится узнать о происхождении имен регистров: регистр ecx носил имя c во время выпуска 8-ми битных процессоров, после чего был переименован в сх для хранения 16-и битных значений и в ecx для хранения 32-х битных значений. Таким образом, несмотря на то, что имена регистров в настоящее время выглядят немного странно, во времена выпуска старых центральных процессоров разработчики использовали регистры общего назначения с отличными именами a , b , c и d .
После того, как вы начнете работу, вы не сможете остановиться
Одним из вопросов, которые мы будем рассматривать в следующем месяце, является вопрос использования стека, поэтому мы подготовим вас к его рассмотрению прямо сейчас. Стек является областью памяти, в которой могут храниться временные значения тогда, когда необходимо освободить регистры для других целей. Но наиболее важной возможностью стека является способ хранения данных в нем: вы будете "помещать" ("push") значения в стек и "извлекать" ("pop") их из него. В стеке используется принцип LIFO (last in, first out - первый вошел, последний вышел), следовательно, последнее добавленное в стек значение будет первым извлечено из него.
Представьте, что у вас есть, к примеру, пустая упаковка от чипсов Pringles и вы помещаете в нее вещи в следующей последовательности: двухслойный крекер, фишка с персонажем "Альф" и диск от приставки GameCube. Если вы начнете извлекать эти вещи, вы извлечете диск от приставки GameCube первым, затем фишку с персонажем "Альф" и так далее. При работе с языком ассембера стек используется следующим образом:
Push 2 push 5 push 10 pop eax pop ebx pop ecx
После исполнения этих шести инструкций регистр eax будет содержать значение 10, регистр ebx - значение 5 и регистр ecx - значение 2. Таким образом, использование стека является отличным способом временного освобождения регистров; если, к примеру, в регистрах eax и ebx имеются важные значения, но вам необходимо выполнить текущую работу перед их обработкой, вы можете поместить эти значения в стек, выполнить текущую работу и извлечь их из стека, вернувшись к предыдущему состоянию регистров.
Кроме того, стек используется при вызове подпрограмм для хранения адреса возврата к основному коду. По этой причине необходимо проявлять особую осторожность при работе со стеком - если вы перепишете хранящиеся в нем данные, вы не сможете вернуться к предыдущей позиции в основном коде приложения, отправившись в одну сторону навстречу аварийному завершению работы приложения!
Двигаемся дальше
Вернемся к коду: инструкция mov перемещает (на самом деле, копирует) число из одного места в другое, справа налево. Таким образом, в данном случае мы говорим: "следует поместить message в регистр ecx ". Но что такое "message"? Это не другой регистр, это указатель на расположение данных. Ближе концу кода в секции данных "data" вы можете обнаружить метку message , после которой следует параметр db , указывающий на то, что вместо метки message в коде должно быть размещено несколько байт. Это очень удобно, так как нам не придется выяснять точное расположение строки "Assembly rules!" в секции данных - мы можем просто сослаться на нее с помощью метки message . (Число 10 после нашей строки является всего лишь символом перехода на новую строку, аналогичным символу \n , добавляемому к строкам при работе с языком программирования C).
Таким образом, мы поместили данные о расположении строки в регистр ecx . Но то, что мы сделаем дальше является особенно интересным. Как упоминалось ранее, центральный процессор не имеет какой-либо реальной концепции аппаратных устройств - для вывода чего-либо на экран вам придется отправить данные видеокарте или переместить данные в оперативную память видеокарты. Но мы не имеем какой-либо информации о расположении этой оперативной памяти видеокарты, кроме того, все используют различные видеокарты, параметры сервера оконной системы X, оконные менеджеры и.т.д. Исходя из этого, непосредственный вывод чего-либо на экран с помощью небольшой по объему программы в нашем случае практически невозможен.
Поэтому мы попросим ядро ОС сделать это для нас. Ядро Linux предоставляет в распоряжение низкоуровневых приложений большое количество системных вызовов, с помощью которых приложения могут инициировать выполнение различных операций на уровне ядра. Один из этих системных вызовов предназначен для вывода текстовой строки. После использования этого системного вызова ядро ОС выполняет всю необходимую работу - и, разумеется, оно предоставляет даже более глубокий уровень абстракции, на котором строка может быть выведена с помощью обычного текстового терминала, эмулятора терминала оконной системы X или даже записана в открытый ранее файл.
Однако, перед тем, как сообщить ядру ОС о необходимости вывода текстовой строки, нам придется передать ему дополнительную информацию, помимо информации о расположении строки, уже находящейся в регистре ecx . Также нам придется сообщить ему о том, сколько символов нужно вывести для того, чтобы вывод строки не продолжался после ее окончания. Именно для этого используется строка из секции данных ближе к концу кода приложения:
Length equ $ - message
В данной строке используется другая метка length , но вместо параметра db для связывания этой метки с какими-либо данными, мы используем параметр equ для того, чтобы сообщить, что данная метка является эквивалентом чего-либо (это немного похоже на директиву препроцессора #define в языке программирования C). Символ доллара соответствует текущей позиции в коде, поэтому в данном случае мы говорим: "метка length должна быть эквивалентна текущей позиции в коде за вычетом расположения строки с меткой "message"".
Вернемся к секции кода приложения, в которой мы размещаем данное значение в регистре edx :
Mov edx, length
Все идет отлично: два регистра заполнены информацией о расположении строки и количестве символов строки для вывода. Но перед тем, как мы сообщим ядру ОС о необходимости выполнения его части работы, нам придется предоставить ему еще немного информации. Во-первых, мы должны сообщить ядру ОС о том, какой "дескриптор файла" следует использовать - другими словами, куда должен быть направлен вывод. Данная тема выходит за границы руководства по использованию языка ассемблера, поэтому скажем лишь, что нам нужно использовать стандартный поток вывода stdout , что означает: выводить строку на экран. Стандартный поток вывода использует фиксированный дескриптор 1, который мы помещаем в регистр ebx .
Теперь мы крайне близки к осуществлению системного вызова, но остался еще один регистр, который должен быть заполнен. Ядро ОС может выполнять большое количество различных операций, таких, как монтирование файловых систем, чтение данных из файлов, удаление файлов и других. Соответствующие механизмы активируются с помощью упомянутых системных вызовов и перед тем, как мы передадим управление ядру ОС, нам придется сообщить ему, какой из системных вызовов следует использовать. На странице вы можете ознакомиться с информацией о некоторых системных вызовах, доступных программам - в нашем случае необходим системный вызов sys_write ("запись данных в дескриптор файла") с номером 4. Поэтому мы разместим его номер в регистре eax :
И это все! Мы выполнили все необходимые приготовления для осуществления системного вызова, поэтому сейчас мы просто передадим управление ядру ОС следующим образом:
Инструкция int расшифровывается как "interrrupt" ("прерывание") и буквально прерывает поток исполнения данной программы, переходя в пространство ядра ОС. (В данном случае используется шестнадцатеричное значение 0x80 - пока вам не следует беспокоиться о нем.) Ядро ОС осуществит вывод строки, на которую указывает значение в регистре ecx , после чего вернет управление нашей программе.
Для завершения исполнения программы следует осуществить системный вызов sys_exit , который имеет номер 1. Поэтому мы размещаем данный номер в регистре eax , снова прерываем исполнение нашей программы, после чего ядро ОС аккуратно завершает исполнение нашей программы и мы возвращаемся к приветствию командной оболочки. Можно сказать, что вы выполнили поставленную задачу: реализовали завершенную (хотя и очень простую) программу на языке ассемблера, код которой разработан вручную без использования каких-либо объемных библиотек.
Мы рассмотрели достаточно много аспектов использования языка ассемблера в данном руководстве и, как упоминалось ранее, вместо этого мы могли бы сфокусироваться лишь на теоретической информации. Но я все же надеюсь, что реальный пример программы оказался полезным для вас, а в следующем номере журнала мы потратим больше времени на рассмотрение некоторых концепций, которые были затронуты в данном руководстве. Кроме того, мы усовершенствуем нашу программу, добавив в нее логику и подпрограммы - версии операторов if и goto языка ассемблера.
В процессе ознакомления с кодом данной программы вы можете попытаться самостоятельно модифицировать его для выполнения следующих операций:
- Вывода отличной, более длинной строки.
- Вывода двух строк, одна после другой.
- Возврата измененного кода завершения работы приложения командной оболочке (для этого придется воспользоваться поисковой системой Google!).
Если вы столкнулись с трудностями и нуждаетесь в помощи, заходите на наш форум по адресу http://forums.linuxvoice.com - автор руководства будет рядом и с удовольствием направит вас по правильному пути. Удачного программирования!
