Язык ассемблера: в чем суть и нужно ли изучать сегодня
Язык ассемблера появился более 70 лет назад, когда ЭВМ «научилась» хранить в памяти большое количество информации, программы стали описывать не на машинном языке, а на более понятном человеку. Первый компилятор назывался assembler, что и породило название для языка программирования.
Казалось бы, за такое количество времени язык должен безнадежно устареть, но ассемблер регулярно входит в топы наиболее популярных. В нашей статье мы расскажем, почему так происходит, разберем основные характеристики этого языка, а также подскажем, кому стоит изучать его.
Характеристика языка ассемблера
Название ассемблер взято от английского assemble, что в переводе означает собирать, монтировать. По сути – это разновидность транслятора. Ассемблер представляет собой язык низкого уровня, который используется внутри операционной системы для того, чтобы в автоматическом режиме преобразовывать исходную программу (заданную компьютеру) на машинный язык.
По составляющим ассемблера становится понятна архитектура электронно-вычислительной машины. На ассемблере машинный язык представляется в виде символики, благодаря чему программы пишутся гораздо проще. Можно разработать несколько языков ассемблера, подходящих одному и тому же компьютеру. Когда программист работает с высокоуровневым языком, то не видит проблем, связанных с реализацией алгоритмов. А ассемблер открыто взаимодействует с компьютерной системой команд.
Язык ассемблер дает доступ к регистрам, позволяет указывать методы адресации и использовать терминологию команд процессора для описания операций. В состав языка может входить инструментарий более высокого уровня. Например, макрокоманды (и встроенные, и определяемые), аналогичные набору из нескольких машинных команд; возможность задавать автоматический выбор команд (по типам операндов); инструменты для описания структур данных.
Компилятор, трансформирующий язык ассемблера в команды машинного языка, часто тоже называют ассемблером, хотя для него есть ещё название – мнемокод. С его помощью машинные коды трансформируются в мнемонический (удобный для восприятия) вид.
Плюс это еще позволяет задействовать процессор, память и периферию компьютера максимально эффективно. Мнемокод часто применяется там, где во главе угла стоит быстродействие. Какой именно можно использовать мнемокод – зависит от объёма оперативной памяти. Для набора команд центрального процессора тоже часто применяется определение «ассемблер».
Есть отдельные ассемблеры и для разных по архитектуре процессоров, и для разных операционных систем. К примеру, программу для машины с одной архитектурой можно ассемблировать с помощью кросс-ассемблера под машину с другой архитектурой (или операционкой).
Ассемблер дает доступ к регистрам, позволяет указывать методы адресации и использовать терминологию команд процессора для описания операций. В состав языка может входить инструментарий более высокого уровня. Например, макрокоманды (и встроенные, и определяемые), аналогичные набору из нескольких машинных команд; возможность задавать автоматический выбор команд (по типам операндов); инструменты для описания структур данных.
Между командами ассемблера и процессора существует соответствие, что позволяет записывать команды и аргументы в установленной символьной форме. И данные, и части программы в процессе ассемблирования связываются между собой посредством меток. Сначала для каждой метки определяется адрес, который потом и ставится в места вхождения меток.
Ваш Путь в IT начинается здесь
Подробнее
Понятно, что у разных микропроцессоров системы команд неодинаковы. Поэтому для каждого процессора есть персональный набор команд, написанных на языке программирования ассемблер и собственные компиляторы-ассемблеры.
Синтаксис языка ассемблера
Структура языка ассемблера не включает в себя общепринятые для других языков основы синтаксиса. Тем не менее, специалисты по ассемблеру применяют, как правило, определенные общие подходы к программированию. Подобными общепринятыми стандартами считаются AT&T-синтаксис и Intel-синтаксис.
Данные стандарты записываются с применением единого формата, и выглядит он так:
Опкод – это и есть ассемблерная команда. Он выступает в роли инструкции к определенному процессору. В записи могут присутствовать специальные префиксы, а среди них, в свою очередь бывают изменения, представленные адресациями и повторениями.
Операндами же тут являются названия регистров, констант, адресов, хранящихся в оперативной памяти компьютера. Но имейте в виду, что между стандартами синтаксиса существует отличие. Какое именно? В процессе адресации может меняться порядок перечисления операндов. При этом для процессоров, объединенных одной архитектурой, используемые команды будут одинаковыми.
Плюсы и минусы языка ассемблера
- Ассемблер – машинный язык, позволяющий максимально задействовать возможности процессора. При этом применять как можно меньше команд и обращений к памяти, что уменьшает размер и повышает скорость работы программы.
- Доступ к расширенным наборам инструкций процессора (MMX, SSE, SSE2, SSE3).
- Доступность портов входа-выхода и особых регистров процессора. Обычно в операционных системах этими опциями можно пользоваться лишь применительно к драйверам и модулям ядра.
- Можно задействовать самомодифицирующийся код, причем и перемещаемый – тоже. Очень во многих случаях это недоступная опция из-за запрета на запись в страницы кода (аппаратных записей это тоже касается). Впрочем, большая часть используемых систем имеет недостатки, по причине которых становится доступно исполнение кода, если только он расположен в сегменте данных, где запись не запрещена.
- Возможность адаптироваться под используемую платформу.
Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.
Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!
Скачивайте и используйте уже сегодня:
Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023
Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда
Подборка 50+ ресурсов об IT-сфере
Только лучшие телеграм-каналы, каналы Youtube, подкасты, форумы и многое другое для того, чтобы узнавать новое про IT
ТОП 50+ сервисов и приложений от Geekbrains
Безопасные и надежные программы для работы в наши дни
И всё же имейте в виду, что используемые сейчас в операционных системах и компиляторах современные технологии безопасности не дают возможности применять самомодифицирующийся код. Они не позволяют задействовать один и тот же участок памяти и для исполнения программы, и для записи (имеется в виду технология W^X).
W^X применяется в OpenBSD, Linux, иных BSD-системах. Microsoft Windows использует у себя близкую по сути технологию DEP (для версий от Windows XP SP2 и далее).
- Громоздкие коды, много мелких дополнительных задач, гораздо меньше библиотек, чем в высокоуровневых языках.
- Процесс чтения и поиска ошибок довольно сложен, впрочем, смотря какой выбран стиль программирования, и какие есть комментарии.
- Современные алгоритмы оптимизации, используемые в высокоуровневых языках, позволяют компилировать более эффективные программы, то есть, времени на их разработку уходит меньше, а качество получается лучше.
- Возможность перенесения только на совместимые платформы.
- В современных проектах ассемблер применять труднее.
Применение языка ассемблера
Из-за того, что язык ассемблер трудноприменим для разработки объёмных программных комплексов, стали появляться новые высокоуровневые языки, такие как Фортран, Лисп, Кобол, Паскаль, Си и другие. Именно они (и придуманные вслед за ними языки) сейчас активно используются в современных информационных технологиях.
Тем не менее и языки ассемблера остаются, что называется «при деле». Благодаря своим уникальным достоинствам, они демонстрируют высокую эффективность и возможность задействования в полной мере мощностей и уникального инструментария конкретной платформы.
Язык ассемблер отлично подходит для написания программ, где важными критериями является:
- скорость работы (игры, драйверы);
- объём доступной для использования памяти (вирусные и защитные программы, встраиваемое ПО, программы для микроконтроллеров и микропроцессоров, загрузочные сектора).
Вот какие задачи программирования решаются с использованием ассемблера:
- Повышение скорости реагирования участков программ, написанных С++, например, или на других высокоуровневых языках. Это востребовано в игровых приставках с фиксированной производительностью. Ещё подходит для мультимедийных кодеков, для которых во главе угла – популярность, а не ресурсоемкость.
- Разработка операционных систем. Часто для написания ОС используется язык Си, он изначально и придумывался для создания одной из первых версий Unix. Ассемблер активно применяется для написания аппаратно зависимых участков кода, таких, например, как загрузчик ОС, HAL и ядро. В ядрах Windows или Linux тоже есть участки с ассемблерным кодом, но небольшие (для авторов на первом месте надёжность и переносимость). Иногда любительские ОС полностью пишутся на ассемблере. Пример – MenuetOS, который, кстати, умещается на дискете, а интерфейс представлен в виде многооконной графики.
- Написание программ для микроконтроллеров (МК) и микропроцессоров. Профессор Танненбаум, например, убеждён, что МК сейчас развиваются так же стремительно, как когда-то компьютеры нового времени. Язык ассемблер очень активно используется для программирования МК. И там частая операция – это перемещение отдельных байтов из одних ячеек памяти – в другие. Тот же профессор Танненбаум подчеркивает важность программирования МК, приводя в пример современные жилые дома, в которых где-то по 50 микроконтролеров непременно имеется.
- Разработка драйверов. Ассемблер применяется для участков драйверов, связанных с аппаратным обеспечением. Вообще, главное требование к драйверам – это надежность, поэтому их чаще пишут на высокоуровневых языках. Ведь в Windows NT и Linuх, например, драйверы работают в режиме ядра, и любая ошибка может просто уничтожить систему.
- Написание защитных программ, антивирусов и т.п.
- Разработка трансляторов для языков программирования.
Стоит ли изучать язык ассемблера в 2023 году
Вообще, на ассемблере, как на фундаменте, держится всё программирование с тех пор, как в мире появился первый процессор. Представьте себе, как физики, стремясь постичь строение вселенной, ведут поиски тех самых неделимых низкоуровневых элементов, из которых она изначально создавалась. Но у ученых для этого есть лишь квантовая теория. А вот первичной материей вселенной процессора как раз и является язык программирования ассемблер.