Язык Ассемблера: Основы и Применение

Введение

Язык программирования низкого уровня

В компьютерном программировании, язык ассемблера (или язык ассемблирования, часто называемый просто ассемблером и обычно сокращаемый как ASM или asm) – это любой язык программирования низкого уровня с очень тесным соответствием между инструкциями языка и инструкциями машинного кода архитектуры. Код на языке ассемблера преобразуется в исполняемый машинный код с помощью специальной программы, называемой ассемблером. Термин "ассемблер" обычно приписывается Уилксу, Уилеру и Гиллу в их книге 1951 года "Подготовка программ для электронной цифровой вычислительной машины", и он специфичен для конкретной компьютерной архитектуры. Иногда для одной архитектуры существует несколько ассемблеров, а иногда ассемблер предназначен для конкретной операционной системы или нескольких операционных систем. Большинство языков ассемблера не предоставляют специального синтаксиса для системных вызовов операционной системы, и большинство языков ассемблера могут использоваться универсально с любой операционной системой, поскольку язык обеспечивает доступ ко всем реальным возможностям процессора, на которых в конечном итоге основаны все механизмы системных вызовов. В отличие от языков ассемблера, большинство языков программирования высокого уровня обычно переносимы между различными архитектурами, но требуют интерпретации или компиляции – гораздо более сложных задач, чем ассемблирование. В первые десятилетия развития вычислительной техники было обычным явлением, когда как системное, так и прикладное программирование выполнялось полностью на языке ассемблера. Хотя в некоторых случаях он по-прежнему незаменим, в настоящее время большая часть программирования выполняется на языках более высокого уровня, которые интерпретируются или компилируются. В книге "No Silver Bullet" Фред Брукс подвел итоги последствий отказа от программирования на языке ассемблера: "Несомненно, самым мощным фактором повышения производительности, надежности и простоты программного обеспечения стало постепенное использование языков высокого уровня для программирования. Большинство наблюдателей считают, что это развитие привело к увеличению производительности как минимум в пять раз, а также к повышению надежности, простоты и понятности".

In computer programming, assembly language (alternatively assembler language often referred to simply as assembly and commonly abbreviated as ASM or asm, is any low level programming language with a very strong correspondence between the instructions in the language and the architecture's machine code instructions. Assembly code is converted into executable machine code by a utility program referred to as an assembler. The term "assembler" is generally attributed to Wilkes, Wheeler and Gill in their 1951 book The Preparation of Programs for an Electronic Digital Computer, is specific to a particular computer architecture. Sometimes there is more than one assembler for the same architecture, and sometimes an assembler is specific to an operating system or to particular operating systems. Most assembly languages do not provide specific syntax for operating system calls, and most assembly languages can be used universally with any operating system, as the language provides access to all the real capabilities of the processor, upon which all system call mechanisms ultimately rest. In contrast to assembly languages, most high level programming languages are generally portable across multiple architectures but require interpreting or compiling, much more complicated tasks than assembling. In the first decades of computing, it was commonplace for both systems programming and application programming to take place entirely in assembly language. While still irreplaceable for some purposes, the majority of programming is now conducted in higher level interpreted and compiled languages. In "No Silver Bullet", Fred Brooks summarised the effects of the switch away from assembly language programming: "Surely the most powerful stroke for software productivity, reliability, and simplicity has been the progressive use of high level languages for programming. Most observers credit that development with at least a factor of five in productivity, and with concomitant gains in reliability, simplicity, and comprehensibility."

Синтаксис языка ассемблера

Язык ассемблера использует мнемонические обозначения для представления, например, каждой низкоуровневой машинной инструкции или опкода, каждой директивы, как правило, также каждого архитектурного регистра, флага и т.п. Некоторые мнемонические обозначения могут быть встроенными, а некоторые – определяемыми пользователем. Многие операции требуют один или несколько операндов для формирования полной инструкции. Большинство ассемблеров допускают использование именованных констант, регистров и меток для программ и ячеек памяти, а также могут вычислять выражения для операндов. Таким образом, программисты освобождаются от утомительных повторяющихся вычислений, а программы на языке ассемблера гораздо более читабельны, чем машинный код. В зависимости от архитектуры, эти элементы могут также комбинироваться для конкретных инструкций или режимов адресации, используя смещения или другие данные, а также фиксированные адреса. Многие ассемблеры предлагают дополнительные механизмы для упрощения разработки программ, контроля процесса ассемблирования и помощи в отладке. Некоторые из них имеют столбцовую структуру, с определенными полями в заданных столбцах; это было широко распространено для машин, использующих перфокарты в 1950-х и начале 1960-х годов. Некоторые ассемблеры используют синтаксис свободной формы, где поля разделяются разделителями, например, знаками препинания или пробелами. Некоторые ассемблеры являются гибридными, например, с метками в определенном столбце и другими полями, разделенными разделителями; это стало более распространенным, чем столбцовый синтаксис, в 1960-х годах.

Терминология

Макроассемблер – это ассемблер, включающий в себя средства макроинструкций, позволяющие представить (параметризованный) текст языка ассемблера именем, которое затем можно использовать для вставки развернутого текста в другой код. Открытый код относится к любому входному коду ассемблера вне определения макроса. Кросс-ассемблер (см. также кросс-компилятор) – это ассемблер, работающий на компьютере или операционной системе (хост-системе) отличного типа от системы, для которой предназначен полученный код (целевой системы). Кросс-ассемблирование облегчает разработку программ для систем, не имеющих ресурсов для поддержки разработки программного обеспечения, таких как встраиваемые системы или микроконтроллеры. В этом случае полученный объектный код необходимо передать в целевую систему через память только для чтения (ROM, EPROM и т.д.), программатор (когда память только для чтения интегрирована в устройство, как в микроконтроллерах), или канал передачи данных, использующий точную побитовую копию объектного кода или текстовое представление этого кода (например, Intel HEX или Motorola S-record). Ассемблер высокого уровня – это программа, предоставляющая языковые абстракции, чаще ассоциируемые с языками высокого уровня, такие как продвинутые структуры управления (IF/THEN/ELSE, DO CASE и т.д.) и высокоуровневые абстрактные типы данных, включая структуры/записи, объединения, классы и множества. Микроассемблер – это программа, помогающая подготовить микропрограмму, называемую прошивкой, для управления низкоуровневой работой компьютера. Метаассемблер – это "программа, принимающая синтаксическое и семантическое описание языка ассемблера и генерирующая ассемблер для этого языка". Sperry Univac также предоставляла метаассемблеры для серии UNIVAC 1100/2200. Инлайн-ассемблер (или встроенный ассемблер) – это код ассемблера, содержащийся в программе на языке высокого уровня. Он чаще всего используется в системных программах, которым требуется прямой доступ к аппаратному обеспечению.

Сборщик

Ассемблер создает объектный код, преобразуя комбинации мнемоник и синтаксиса операций и режимов адресации в их числовые эквиваленты. Это представление обычно включает в себя код операции ("опкод"), а также другие управляющие биты и данные. Ассемблер также вычисляет константные выражения и разрешает символические имена для ячеек памяти и других сущностей. Ассемблеры появились в 1950-х годах, представляя собой первый шаг выше машинного языка и предшествуя языкам программирования высокого уровня, таким как Fortran, Algol, COBOL и Lisp. Существовали также различные классы трансляторов и полуавтоматических генераторов кода, обладающих свойствами, схожими как с языками ассемблера, так и с языками высокого уровня, причем Speedcode является, пожалуй, одним из наиболее известных примеров. Для конкретного процессора или архитектуры набора команд может существовать несколько ассемблеров с различным синтаксисом. Например, инструкция для добавления данных из памяти к регистру в процессоре семейства x86 может выглядеть как `add eax, [ebx]` в оригинальном синтаксисе Intel, в то время как в синтаксисе AT&T, используемом GNU Assembler, она будет записана как `addl (%ebx), %eax`. Несмотря на различные варианты записи, разные синтаксические формы обычно генерируют один и тот же числовой машинный код. Один и тот же ассемблер может также иметь различные режимы для поддержки вариаций в синтаксических формах, а также их точных семантических интерпретаций (например, синтаксис FASM, синтаксис TASM, идеальный режим и т.д., в частности, при программировании на ассемблере x86).