Языки программирования низкого уровня основные понятия

Языки программирования низкого уровня: зачем нужны и стоит ли учить сегодня

О чем речь? Языки программирования низкого уровня не являются чем-то плохим или устаревшим, такое название лишь указывает на способ взаимодействия программы с «железом». Первый ЯП низкого уровня – это машинный код, в котором были только нули и единицы. Со временем добавились и другие языки.

Насколько актуальны? Несмотря на то, что сейчас популярно высокоуровневое программирование, низкоуровневые ЯП все еще востребованы. На них пишут драйверы, операционные системы, прошивки и т. д. К тому же, любому программисту будет полезно изучение таких языков.

Понятие языка программирования низкого уровня

Самым первым и наиболее примитивным языком программирования считается машинный код, который состоит из набора последовательных команд, передаваемых на процессор двумя символами – «0» и «1». Ноль – отсутствие электрического сигнала на устройстве, а единица – наличие такого сигнала.

Поток сигналов позволят активировать процессор для выполнения тех или иных операций. Благодаря этому ЭВМ могли решать простейшие задачи, например, производить арифметические вычисления, передавать данные от одного регистра к другому, сравнивать коды разного числа.

Постепенно повышалась сложность операций, которые могли выполнять языки программирования. Возрастали количество команд и скорость их реализации. Чтобы сделать машинные коды более результативным и гибкими, их стали разделять на микропрограммы.

Языки программирования низкого уровня – это языки, близкие к программированию непосредственно в машинных кодах используемого реального или виртуального процессора.

Для обозначения машинных команд применяется мнемоника. Для этого используются специальные сокращения слов обычного языка (как правило, английских). При этом одному такому сокращению может соответствовать целый ряд машинных команд, выполняющих одну и ту же операцию с разными ячейками памяти процессора.

У примитивных языков программирования могут быть дополнительные возможности, к примеру, макроопределение (макросы). Посредством директив есть возможность управлять процессом трансляции машинных кодов с занесением констант и литеральных строк, а также с резервированием памяти для переменных и размещением исполняемого кода по определенным адресам.

При помощи таких языков можно использовать переменные ячейки памяти. При работе учитывается специфика конкретного семейства процессов.

Двоичные машинные коды применялись для разработки первых компьютерных программ. Этот сложный процесс был упрощен благодаря низкоуровневым языкам. Они позволили сделать машинные команды более легкими для понимания. Специальные программы, которые назывались трансляторами, использовались для преобразования в бинарный код. Существует две разновидности таких программ:

• Компиляторы. Они применяются для преобразования программного текста в машинный код, который после этого сохраняется и используется уже без транслятора. Яркий пример – файлы с расширением *.ехе.
• Интерпретаторы. Позволяют частично трансформировать программу в машинный код, а затем выполнять его и переходить к следующему фрагменту.

При создании алгоритма на языке низкого уровня программист обращается «непосредственно» к аппаратному функционалу компьютера:

Так как в этом случае нет скрытых частей кода, которые автоматически добавляют компилятор в процессе преобразования исходного кода в двоичный, обеспечивается высокоскоростное функционирование программ.

Если программист решает использовать язык низкого уровня, то за весь аппаратный функционал устройства (скорость загрузки процессора, выделяемая память и т.д.) будет отвечать он сам. Таким образом, низкоуровневые языки являются наименее безопасными. Высокоуровневые способы записи отличаются меньшим количеством ошибок в получаемом коде.

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

Языки программирования низкого уровня применяются для создания следующих видов ПО:

• системы реального времени;
• микроконтроллеры;
• драйверы, осуществляющие управление внешними устройствами (принтеры, сканеры, камеры и т.д.).

Языки высокого уровня на сегодняшний день являются самыми распространенными. Конечно же, это не всегда было так. Раньше наибольшую популярность имели именно низкоуровневые языки. Однако такие способы написания кода используются и по сей день. Перечислим основные сферы применения низкоуровневых языков:

• написание драйверов для аппаратного обеспечения и периферийных устройств, подключающихся к компьютеру;
• разработка ОС и ядер прошивок;

Плюсы и минусы низкоуровневых языков программирования

На данный момент существует множество языков программирования низкого уровня. Они имеют свои преимущества и недостатки. Плюсом низкоуровневых языков является возможность разработки эффективных и компактных программ. При использовании такого способа записи программист получает доступ ко всему функционалу процессора.

Однако у низкоуровневых языков есть целый ряд минусов:

• Разработчик должен обладать высоким уровнем мастерства. Ему нужно хорошо разбираться в устройстве микропроцессорной системы, для которой пишется программа. Следовательно, чтобы создать программу для ПК, необходимо понимать, по какому принципу работает его «железо». В особенности это касается специфики работы процессора.
• Полученную программу нельзя будет использовать на устройстве с другим типом процессора.
• Для создания сложных программ требуется много времени.

Чаще всего низкоуровневые языки применяются для разработки небольших системных программ, драйверов устройств, модулей стыков с нестандартным оборудованием, а также при программировании специализированных микропроцессоров, которые должны предоставлять возможность непосредственного обращения к «железу», быть компактными и скоростными.

Примеры языков программирования низкого уровня

Как уже ранее упоминалось, языком самого низкого уровня является машинный код, содержащий лишь «0» и «1». Более сложным считается язык ассемблера.

Язык ассемблера – набор принципов создания нового синтаксиса для управления процессорами в различных архитектурах. Его синтаксис более функционален и понятен, чем в машинном коде. Ассемблер позволяет выполнять операции со всеми процессами внутри компьютера. Однако синтаксисы остальных низкоуровневых языков гораздо проще.

Нельзя не упомянуть язык Forth, который был создан в начале 70-х. Раньше он имел широкое распространение. Объясняется это тем, что Forth обладает более простым и понятным синтаксисом. С его помощью разрабатывали ядра и ОС. На данный момент этот язык потерял былую актуальность и используется крайне редко.

CIL – это еще один язык низкого уровня, созданный компанией Microsoft (в данной организации он получил название «высокоуровневого Ассемблера»). Используется в качестве промежуточного языка в виртуальной машине .NET. Иными словами, все компиляторы, которые работают с .NET, трансформируют языки высокого уровня из этого фреймворка в язык CIL, а он, в свою очередь, позволяет управлять аппаратным функционалом устройства.

Кроме того, существуют гибкие языки, которые также называют «языками среднего уровня». Проще говоря, они могут быть как высокоуровневыми, так и низкоуровневыми. Таковыми являются С, С++, RUST и некоторые другие. Но почему же они такие универсальные? Языки программирования низкого уровня отличаются тем, что могут «непосредственно» воздействовать на «железо» компьютера.

То же самое можно сказать и про среднеуровневые варианты. Благодаря этой особенности они нередко используются при разработке ОС и драйверов, создаваемых на низкоуровневых языках. Однако гибкие способы также применяются в приложениях и играх, написанных на языках высокого уровня.

Стоит ли изучать низкоуровневые языки программирования

Многие люди считают, что изучение низкоуровневых языков – пустая трата времени. Однако это большое заблуждение. Рассмотрим несколько важных сфер применения языков подобного уровня:

Многие специалисты, знающие только Java, C# и другие схожие языки, не умеют решать некоторые задачи, связанные с памятью. С одной стороны, высокоуровневые способы записи кода должны освобождать программиста от выполнения таких операций. Но в любой программе иногда случаются ошибки. К примеру, программа для сбора мусора может начать использовать слишком большие объемы памяти.

Чтобы решить данную проблему, нужно разобраться в специфике выделения и очистки памяти. Кроме того, вам может потребоваться соединить в одной программе гетерогенные элементы. В этом случае применяются «родные» регулярные win32 библиотеки, которые, конечно же, не поддерживают NET и C#. Таким образом, низкоуровневые языки нужны для обмена данными через незащищенный участок памяти.

Высочайший уровень абстрагирования для создания потоков – вот чем отличаются высокоуровневые языки. Но если вы будете понимать нюансы концепции thread safe, то сможете ускорить время отладки многопоточного приложения.

Погоня за эффективностью чаще всего оборачивается слишком ранней оптимизацией. Применение низкоуровневой оптимизации – еще более грубая ошибка, так как обычно это приводит лишь к бесполезному расходованию сил. Однако есть один нюанс. Если вы хотите разобраться с принципами работы компьютера, то придется изучить низкоуровневый язык Assembler.

У вас не получится писать на asm, если вы не будете знать архитектуру процессора систем адресации памяти и механизмов ввода/вывода. Освоив этот язык, вы сможете понять, что следует ожидать от других производителей в настоящем и будущем. Лучше всего дополнительно изучить asm того или иного RISC процессора, например ARM. Однако этот совет актуален лишь для особых любителей. В любом случае знание ассеблера необходимо для того, чтобы понять все нюансы работы компьютера.

Изучение низкоуровневых языков полезно вне зависимости от того, будут ли применяться эти знания на практике. Однако освоение таких способов записи кода – не самая легкая задача. Именно поэтому эти материалы должны преподаваться в высших учебных заведениях.

Будущее низкоуровневого программирования

Низкоуровневые языки имеют как плюсы, так и минусы. Но нельзя не отметить, что в будущем такое программирование будет активно использоваться в разных сферах. Тот же asm не потеряет свою актуальность до той поры, пока не перестанут существовать разнотипные процессоры. Если специалист будет знать этот язык, то он сможет с легкостью выполнить оптимизацию созданного на нем кода.

Источник