Программирование на Ассемблере для начинающих с примерами программ
Многие считают, что Assembler – уже устаревший и нигде не используемый язык, однако в основном это молодые люди, которые не занимаются профессионально системным программированием. Разработка ПО, конечно, хорошо, но в отличие от высокоуровневых языков программирования, Ассемблер научит глубоко понимать работу компьютера, оптимизировать работку с аппаратными ресурсами, а также программировать любую технику, тем самым развиваясь в направлении машинного обучения. Для понимания этого древнего ЯП, для начала стоит попрактиковаться с простыми программами, которые лучше всего объясняют функционал Ассемблера.
IDE для Assembler
Первый вопрос: в какой среде разработки программировать на Ассемблере? Ответ однозначный – MASM32. Это стандартная программа, которую используют для данного ЯП. Скачать её можно на официальном сайте masm32.com в виде архива, который нужно будет распаковать и после запустить инсталлятор install.exe. Как альтернативу можно использовать FASM, однако для него код будет значительно отличаться.
Перед работой главное не забыть дописать в системную переменную PATH строчку:
Программа «Hello world» на ассемблере
Считается, что это базовая программа в программировании, которую начинающие при знакомстве с языком пишут в первую очередь. Возможно, такой подход не совсем верен, но так или иначе позволяет сразу же увидеть наглядный результат:
Для начала запускаем редактор qeditor.exe в папке с установленной MASM32, и в нём пишем код программы. После сохраняем его в виде файла с расширением «.asm», и билдим программу с помощью пункта меню «Project» → «Build all». Если в коде нет ошибок, программа успешно скомпилируется, и на выходе мы получим готовый exe-файл, который покажет окно Windows с надписью «Hello world».
Сложение двух чисел на assembler
В этом случае мы смотрим, равна ли сумма чисел нулю, или же нет. Если да, то на экране появляется соответствующее сообщение об этом, и, если же нет – появляется иное уведомление.
Здесь мы используем так называемые метки и специальные команды с их использованием (jz, jmp, test). Разберём подробнее:
Программа суммы чисел на ассемблере
Примитивная программа, которая показывает процесс суммирования двух переменных:
В Ассемблере для того, чтобы вычислить сумму, потребуется провести немало действий, потому как язык программирования работает напрямую с системной памятью. Здесь мы по большей частью манипулируем ресурсами, и самостоятельно указываем, сколько выделить под переменную, в каком виде воспринимать числа, и куда их девать.
Получение значения из командной строки на ассемблере
Одно из важных основных действий в программировании – это получить данные из консоли для их дальнейшей обработки. В данном случае мы их получаем из командной строки и выводим в окне Windows:
Также можно воспользоваться альтернативным методом:
Здесь используется invoke – специальный макрос, с помощью которого упрощается код программы. Во время компиляции макрос-команды преобразовываются в команды Ассемблера. Так или иначе, мы пользуемся стеком – примитивным способом хранения данных, но в тоже время очень удобным. По соглашению stdcall, во всех WinAPI-функциях переменные передаются через стек, только в обратном порядке, и помещаются в соответствующий регистр eax.
Циклы в ассемблере
Для создания цикла используется команда repeat. Далее с помощью inc увеличивается значение переменной на 1, независимо от того, находится она в оперативной памяти, или же в самом процессоре. Для того, чтобы прервать работу цикла, используется директива «.BREAK». Она может как останавливать цикл, так и продолжать его действие после «паузы». Также можно прервать выполнение кода программы и проверить условие repeat и while с помощью директивы «.CONTINUE».
Сумма элементов массива на assembler
Здесь мы суммируем значения переменных в массиве, используя цикл «for»:
С помощью команды jne выполняется переход по метке, основываясь на результате сравнения переменных. Если он отрицательный – происходит переход, а если операнды не равняются друг другу, переход не осуществляется.
Ассемблер интересен своим представлением переменных, что позволяет делать с ними что угодно. Специалист, который разобрался во всех тонкостях данного языка программирования, владеет действительно ценными знаниями, которые имеют множество путей использования. Одна задачка может решаться самыми разными способами, поэтому путь будет тернист, но не менее увлекательным.
Как писать на ассемблере в 2018 году
Статья посвящена языку ассемблер с учетом актуальных реалий. Представлены преимущества и отличия от ЯВУ, произведено небольшое сравнение компиляторов, скрупулёзно собрано значительное количество лучшей тематической литературы.
1. Язык. Преимущества и отличия от ЯВУ
Ассемблер (Assembly) — язык программирования, понятия которого отражают архитектуру электронно-вычислительной машины. Язык ассемблера — символьная форма записи машинного кода, использование которого упрощает написание машинных программ. Для одной и той же ЭВМ могут быть разработаны разные языки ассемблера. В отличие от языков высокого уровня абстракции, в котором многие проблемы реализации алгоритмов скрыты от разработчиков, язык ассемблера тесно связан с системой команд микропроцессора. Для идеального микропроцессора, у которого система команд точно соответствует языку программирования, ассемблер вырабатывает по одному машинному коду на каждый оператор языка. На практике для реальных микропроцессоров может потребоваться несколько машинных команд для реализации одного оператора языка.
Язык ассемблера обеспечивает доступ к регистрам, указание методов адресации и описание операций в терминах команд процессора. Язык ассемблера может содержать средства более высокого уровня абстракции: встроенные и определяемые макрокоманды, соответствующие нескольким машинным командам, автоматический выбор команды в зависимости от типов операндов, средства описания структур данных. Главное достоинство языка ассемблера — «приближенность» к процессору, который является основой используемого программистом компьютера, а главным неудобством — слишком мелкое деление типовых операций, которое большинством пользователей воспринимается с трудом. Однако язык ассемблера в значительно большей степени отражает само функционирование компьютера, чем все остальные языки.
И хотя драйвера и операционные системы сейчас пишут на Си, но Си при всех его достоинствах — язык высокого уровня абстракции, скрывающий от программиста различные тонкости и нюансы железа, а ассемблер — язык низкого уровня абстракции, прямо отражающий все эти тонкости и нюансы.
Для успешного использования ассемблера необходимы сразу три вещи:
Оптимальной можно считать программу, которая работает правильно, по возможности быстро и занимает, возможно, малый объем памяти. Кроме того, ее легко читать и понимать; ее легко изменить; ее создание требует мало времени и незначительных расходов. В идеале язык ассемблера должен обладать совокупностью характеристик, которые бы позволяли получать программы, удовлетворяющие как можно большему числу перечисленных качеств.
На языке ассемблера пишут программы или их фрагменты в тех случаях, когда критически важны:
Языки программирования высокого уровня абстракции разрабатывались с целью возможно большего приближения способа записи программ к привычным для пользователей компьютеров тех или иных форм записи, в частности математических выражений, а также чтобы не учитывать в программах специфические технические особенности отдельных компьютеров. Язык ассемблера разрабатывается с учетом специфики процессора, поэтому для грамотного написания программы на языке ассемблера требуется, в общем, знать архитектуру процессора используемого компьютера. Однако, имея в виду преимущественное распространение PC-совместимых персональных компьютеров и готовые пакеты программного обеспечения для них, об этом можно не задумываться, поскольку подобные заботы берут на себя фирмы-разработчики специализированного и универсального программного обеспечения.
2. О компиляторах
Какой ассемблер лучше?
Для процессора x86-x64, имеется более десятка различных ассемблер компиляторов. Они отличаются различными наборами функций и синтаксисом. Некоторые компиляторы больше подходят для начинающих, некоторые ― для опытных программистов. Некоторые компиляторы достаточно хорошо документированы, другие вообще не имеют документации. Для некоторых компиляторов разработано множеством примеров программирования. Для некоторых ассемблеров написаны учебные пособия и книги, в которых подробно рассматривается синтаксис, у других нет ничего. Какой ассемблер лучше?
Учитывая множество диалектов ассемблеров для x86-x64 и ограниченное количество времени для их изучения, ограничимся кратким обзором следующих компиляторов: MASM, TASM, NASM, FASM, GoASM, Gas, RosAsm, HLA.
Какую операционную систему вы бы хотели использовать?
Это вопрос, на который вы должны ответить в первую очередь. Самый многофункциональный ассемблер не принесет вам никакой пользы, если он не предназначен для работы под ту операционную систему, которую вы планируете использовать.
| Windows | DOS | Linux | BSD | QNX | MacOS, работающий на процессоре Intel/AMD | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FASM | x | x | x | x | ||
| GAS | x | x | x | x | x | x |
| GoAsm | x | |||||
| HLA | x | x | ||||
| MASM | x | x | ||||
| NASM | x | x | x | x | x | x |
| RosAsm | x | |||||
| TASM | x | x |
Поддержка 16 бит
Если ассемблер поддерживает DOS, то он поддерживает и 16-разрядные команды. Все ассемблеры предоставляют возможность писать код, который использует 16-разрядные операнды. 16-разрядная поддержка означает возможность создания кода, работающего в 16-разрядной сегментированной модели памяти (по сравнению с 32-разрядной моделью с плоской памятью, используемой большинством современных операционных систем).
Поддержка 64 бит
За исключением TASM, к которому фирма Borland охладела в середине нулевых, и, который не поддерживает в полном объеме даже 32-разрядные программы, все остальные диалекты поддерживают разработку 64-разрядных приложений.
Переносимость программ
Очевидно, что вы не собираетесь писать код на ассемблере x86-x64, который запускался бы на каком-то другом процессоре. Однако, даже на одном процессоре вы можете столкнуться с проблемами переносимости. Например, если вы предполагаете компилировать и использовать свои программы на ассемблере под разными операционными системами. NASM и FASM можно использовать в тех операционных системах, которые они поддерживают.
Предполагаете ли вы писать приложение на ассемблере и затем портировать, это приложение с одной ОС на другую с «перекомпиляцией» исходного кода? Эту функцию поддерживает диалект HLA. Предполагаете ли вы иметь возможность создавать приложения Windows и Linux на ассемблере с минимальными усилиями для этого? Хотя, если вы работаете с одной операционной системой и абсолютно не планируете работать в какой-либо другой ОС, тогда эта проблема вас не касается.
Поддержка высокоуровневых языковых конструкций
Некоторые ассемблеры предоставляют расширенный синтаксис, который обеспечивает языковые высокоуровневые структуры управления (типа IF, WHILE, FOR и так далее). Такие конструкции могут облегчить обучение ассемблеру и помогают написать более читаемый код. В некоторые ассемблеры встроены «высокоуровневые конструкции» с ограниченными возможностями. Другие предоставляют высокоуровневые конструкции на уровне макросов.
Никакой ассемблер не заставляет вас использовать какие-либо структуры управления или типы данных высокого уровня, если вы предпочитаете работать на уровне кодировки машинных команд. Высокоуровневые конструкции ― это расширение базового машинного языка, которое вы можете использовать, если найдете их удобными.
Качество документации
Удобство использования ассемблера напрямую связано с качеством его документации. Учитывая объем работы, который тратится для создания диалекта ассемблера, созданием документации для этого диалекта авторы компиляторов практически не заморачиваются. Авторы, расширяя свой язык, забывают документировать эти расширения.
В следующей таблице описывается качество справочного руководства ассемблера, которое прилагается к продукту:
Учебники и учебные материалы
Документация на самом ассемблере, конечно, очень важна. Еще больший интерес для новичков и других, изучающих язык ассемблера (или дополнительные возможности данного ассемблера), ― это наличие документации за пределами справочного руководства для языка. Большинство людей хотят, чтобы учебник, объясняющий, как программировать на ассемблере, не просто предоставляет синтаксис машинных инструкций и ожидает, что читателю объяснят, как объединять эти инструкции для решения реальных проблем.
MASM является лидером среди огромного объема книг, описывающих, как программировать на этом диалекте. Есть десятки книг, которые используют MASM в качестве своего ассемблера для обучения ассемблеру.
Большинство учебников по ассемблеру MASM/TASM продолжают обучать программированию под MS-DOS. Хотя постепенно появляются учебники, которые обучают программированию в Windows и Linux.
3. Литература и веб ресурсы
Beginners
Advanced
4. Практика
Итак, вы уже знаете, что такое ассемблер и с чем его едят. Вы запаслись парой/тройкой книг и веб мануалами, возможно определились и с компилятором… К сожалению уроки программирования выходят за рамки данной статьи, но для тех чей выбор пал на MASM/FASM можете воспользоваться следующими макетами:
Желаем вам, друзья, значительных достижений и новых знаний в 2018 году!
С уважением
Михаил Смоленцев MiklIrk (Иркутский государственный университет путей сообщения),
Алексей Гриценко expressrus (Донской государственный технический университет).
Ps1: Уважаемый, Хабрахабр! Добавьте в ваш редактор подсветку ассемблера (Intel-синтаксис), это пригодится для будущих статей!
Руководство по ассемблеру x86 для начинающих
В наше время редко возникает необходимость писать на чистом ассемблере, но я определённо рекомендую это всем, кто интересуется программированием. Вы увидите вещи под иным углом, а навыки пригодятся при отладке кода на других языках.
В этой статье мы напишем с нуля калькулятор обратной польской записи (RPN) на чистом ассемблере x86. Когда закончим, то сможем использовать его так:
Весь код для статьи здесь. Он обильно закомментирован и может служить учебным материалом для тех, кто уже знает ассемблер.
Начнём с написания базовой программы Hello world! для проверки настроек среды. Затем перейдём к системным вызовам, стеку вызовов, стековым кадрам и соглашению о вызовах x86. Потом для практики напишем некоторые базовые функции на ассемблере x86 — и начнём писать калькулятор RPN.
Предполагается, что у читателя есть некоторый опыт программирования на C и базовые знания компьютерной архитектуры (например, что такое регистр процессора). Поскольку мы будем использовать Linux, вы также должны уметь использовать командную строку Linux.
Настройка среды
Как уже сказано, мы используем Linux (64- или 32-битный). Приведённый код не работает в Windows или Mac OS X.
Я бы также рекомендовал держать под рукой таблицу ASCII.
Hello, world!
Для проверки среды сохраните следующий код в файле calc.asm :
Комментарии объясняют общую структуру. Список регистров и общих инструкций можете изучить в «Руководстве по ассемблеру x86 университета Вирджинии». При дальнейшем обсуждении системных вызовов это тем более понадобится.
Следующие команды собирают файл ассемблера в объектный файл, а затем компонует исполняемый файл:
После запуска вы должны увидеть:
Makefile
Затем вместо вышеприведённых инструкций просто запускаем make.
Системные вызовы
Системные вызовы Linux указывают ОС выполнить для нас какие-то действия. В этой статье мы используем только два системных вызова: write() для записи строки в файл или поток (в нашем случае это стандартное устройство вывода и стандартная ошибка) и exit() для выхода из программы:
| eax | ebx | ecx | edx |
|---|---|---|---|
| Номер системного вызова | arg1 | arg2 | arg3 |
Стек вызовов
Стек вызовов — структура данных, в которой хранится информация о каждом обращении к функции. У каждого вызова собственный раздел в стеке — «фрейм». Он хранит некоторую информацию о текущем вызове: локальные переменные этой функции и адрес возврата (куда программа должна перейти после выполнения функции).
Сразу отмечу одну неочевидную вещь: стек увеличивается вниз по памяти. Когда вы добавляете что-то на верх стека, оно вставляется по адресу памяти ниже, чем предыдущий элемент. Другими словами, по мере роста стека адрес памяти в верхней части стека уменьшается. Чтобы избежать путаницы, я буду всё время напоминать об этом факте.
Соглашение о вызовах для архитектуры x86
В х86 нет встроенного понятия функции как в высокоуровневых языках. Инструкция call — это по сути просто jmp ( goto ) в другой адрес памяти. Чтобы использовать подпрограммы как функции в других языках (которые могут принимать аргументы и возвращать данные обратно), нужно следовать соглашению о вызовах (существует много конвенций, но мы используем CDECL, самое популярное соглашение для x86 среди компиляторов С и программистов на ассемблере). Это также гарантирует, что регистры подпрограммы не перепутаются при вызове другой функции.
Правила вызывающей стороны
Перед вызовом функции вызывающая сторона должна:
Правила вызываемой подпрограммы
Перед вызовом подпрограмма должна:
Стек вызовов после шага 2:
Стек вызовов после шага 4:
На последней диаграмме также можно заметить, что локальные переменные функции всегда начинается на 4 байта выше ebp с адреса ebp-4 (здесь вычитание, потому что мы двигаемся вверх по стеку), а аргументы функции всегда начинается на 8 байт ниже ebp с адреса ebp+8 (сложение, потому что мы двигаемся вниз по стеку). Если следовать правилам из этой конвенции, так будет c переменными и аргументами любой функции.
Когда функция выполнена и вы хотите вернуться, нужно сначала установить eax на возвращаемое значение функции, если это необходимо. Кроме того, нужно:
Вход и выход
Написание некоторых основных функций
Здесь понадобится ещё одна функция _strlen для подсчёта длины строки. На C она может выглядеть так:
Другими словами, с самого начала строки мы добавляем 1 к возвращаемым значением для каждого символа, кроме нуля. Как только замечен нулевой символ, возвращаем накопленное в цикле значение. В ассемблере это тоже довольно просто: можно использовать как базу ранее написанную функцию _subtract :
И посмотрим плоды нашей тяжёлой работы, используя эту функцию в полной программе “Hello, world!”.
Хотите верьте, хотите нет, но мы рассмотрели все основные темы, которые нужны для написания базовых программ на ассемблере x86! Теперь у нас есть весь вводный материал и теория, так что полностью сосредоточимся на коде и применим полученные знания для написания нашего калькулятора RPN. Функции будут намного длиннее и даже станут использовать некоторые локальные переменные. Если хотите сразу увидеть готовую программу, вот она.
Создание стека
Теперь можно реализовать функции _push и _pop :
Вывод чисел
На C программа будет выглядеть примерно так:
Теперь вы понимаете, зачем нам эти три функции. Давайте реализуем это на ассемблере:
Теперь у нас есть все необходимые функции, осталось реализовать основную логику в _start — и на этом всё!
Вычисление обратной польской записи
Как мы уже говорили, обратная польская запись вычисляется с помощью стека. При чтении число заносится на стек, а при чтении оператор применяется к двум объектам наверху стека.
Например, если мы хотим вычислить 84/3+6* (это выражение также можно записать в виде 6384/+* ), процесс выглядит следующим образом:
| Шаг | Символ | Стек перед | Стек после |
|---|---|---|---|
| 1 | 8 | [] | [8] |
| 2 | 4 | [8] | [8, 4] |
| 3 | / | [8, 4] | [2] |
| 4 | 3 | [2] | [2, 3] |
| 5 | + | [2, 3] | [5] |
| 6 | 6 | [5] | [5, 6] |
| 7 | * | [5, 6] | [30] |
Если на входе допустимое постфиксное выражение, то в конце вычислений на стеке остаётся лишь один элемент — это и есть ответ, результат вычислений. В нашем случае число равно 30.
В ассемблере нужно реализовать нечто вроде такого кода на C:
Теперь у нас имеются все функции, необходимые для реализации этого, давайте начнём.
И мы закончили! Удивите всех своих друзей, если они у вас есть. Надеюсь, теперь вы с большей теплотой отнесётесь к языкам высокого уровня, особенно если вспомнить, что многие старые программы писали полностью или почти полностью на ассемблере, например, оригинальный RollerCoaster Tycoon!
Весь код здесь. Спасибо за чтение! Могу продолжить, если вам интересно.
Дальнейшие действия
Можете попрактиковаться, реализовав несколько дополнительных функций:
Погружение в assembler. Полный курс по программированию на асме от ][
Содержание статьи
Это первая (вступительная) статья курса. Курс рассчитан на тех, кто в целом знаком с высокоуровневым программированием и только приступает к изучению ассемблера.
Читай далее:
Но что такое программирование само по себе по своей сути, вне зависимости от какого-либо языка? Разнообразие ответов поражает. Наиболее часто можно услышать такое определение: программирование — это составление инструкций или команд для последовательного исполнения их машиной с целью решить ту или иную задачу. Такой ответ вполне справедлив, но, на мой взгляд, не отражает всей полноты, как если бы мы назвали литературу составлением из слов предложений для последовательного прочтения их читателем. Я склонен полагать, что программирование ближе к творчеству, к искусству. Как любой вид искусства — выражение творческой мысли, идеи, программирование представляет собой отражение человеческой мысли. Мысль же бывает и гениальная, и совершенно посредственная.
Но, каким бы видом программирования мы ни занимались, успех зависит от практических навыков вкупе со знанием фундаментальных основ и теории. Теория и практика, изучение и труд — вот краеугольные камни, на которых основывается успех.
В последнее время ассемблер незаслуженно находится в тени других языков. Обусловлено это глобальной коммерциализацией, направленной на то, чтобы в максимально короткие сроки получить как можно большую прибыль от продукта. Иными словами, массовость взяла верх над элитарностью. А ассемблер, по моему мнению, ближе к последнему. Гораздо выгоднее в сравнительно небольшие сроки поднатаскать ученика в таких, например, языках, как С++, С#, PHP, Java, JavaScript, Python, чтобы он был более-менее способен создавать ширпотребный софт, не задаваясь вопросами, зачем и почему он так делает, чем выпустить хорошего специалиста по ассемблеру. Примером тому служит обширнейший рынок всевозможных курсов по программированию на любом языке, за исключением ассемблера. Та же тенденция прослеживается как в преподавании в вузах, так и в учебной литературе. В обоих случаях вплоть до сегодняшнего дня большая часть материала базируется на ранних процессорах серии 8086, на так называемом «реальном» 16-битном режиме работы, операционной среде MS-DOS! Возможно, что одна из причин в том, что, с одной стороны, с появлением компьютеров IBM PC преподавателям пришлось перейти именно на эту платформу из-за недоступности других. А с другой стороны, по мере развития линейки 80х86 возможность запуска программ в режиме DOS сохранялась, что позволяло сэкономить деньги на приобретение новых учебных компьютеров и составление учебников для изучения архитектуры новых процессоров. Однако сейчас такой выбор платформы для изучения совершенно неприемлем. MS-DOS как среда выполнения программ безнадежно устарела уже к середине девяностых годов, а с переходом к 32-битным процессорам, начиная с процессора 80386, сама система команд стала намного более логичной. Так что бессмысленно тратить время на изучение и объяснение странностей архитектуры реального режима, которые заведомо никогда уже не появятся ни на одном процессоре.
Что касается выбора операционной среды для изучения ассемблера, то, если говорить о 32-битной системе команд, выбор сравнительно невелик. Это либо операционные системы Windows, либо представители семейства UNIX.
Также следует сказать несколько слов о том, какой именно ассемблер выбрать для той или другой операционной среды. Как известно, для работы с процессорами х86 используются два типа синтаксиса ассемблера — это синтаксис AT&T и синтаксис Intel. Эти синтаксисы представляют одни и те же команды совершенно по-разному. Например, команда в синтаксисе Intel выглядит так:
В синтаксисе же AT&T уже будет иной вид:
В среде ОС UNIX более популярен синтаксис типа AT&T, однако учебных пособий по нему нет, он описывается исключительно в справочной и технической литературе. Поэтому логично выбрать ассемблер на основе синтаксиса Intel. Для UNIX-систем есть два основных ассемблера — это NASM (Netwide Assembler) и FASM (Flat Assembler). Для линейки Windows популярностью пользуются FASM и MASM (Macro Assembler) от фирмы Microsoft, и также существовал еще TASM (Turbo Assembler) фирмы Borland, которая уже довольно давно отказалась от поддержки собственного детища.
В данном цикле статей изучение будем вести в среде Windows на основе языка ассемблера MASM (просто потому, что он мне нравится больше). Многие авторы на начальном этапе изучения ассемблера вписывают его в оболочку языка си, исходя из тех соображений, что перейти к практическим примерам в операционной среде якобы довольно трудно: нужно знать и основы программирования в ней, и команды процессора. Однако и такой подход требует хоть мало-мальских начатков знаний в языке си. Данный же цикл статей от самого своего начала будет сосредоточен только на самом ассемблере, не смущая читателя ничем иным, ему непонятным, хотя в дальнейшем и будет прослеживаться связь с другими языками.
Следует отметить, что при изучении основ программирования, и это касается не только программирования на ассемблере, крайне полезно иметь представление о культуре консольных приложений. И совершенно нежелательно начинать обучение сразу же с создания окошечек, кнопочек, то есть с оконных приложений. Бытует мнение, что консоль — архаичный пережиток прошлого. Однако это не так. Консольное приложение почти лишено всякой внешней зависимости от оконной оболочки и сосредоточено главным образом на выполнении конкретно поставленной задачи, что дает прекрасную возможность, не отвлекаясь ни на что другое, концентрировать внимание на изучении базовых основ как программирования, так и самого ассемблера, включая знакомство с алгоритмами и их разработку для решения практических задач. И к тому моменту, когда настанет время перейти к знакомству с оконными приложениями, за плечами уже будет внушительный запас знаний, ясное представление о работе процессора и, самое главное, осознание своих действий: как и что работает, зачем и почему.
Что такое ассемблер?
Само слово ассемблер (assembler) переводится с английского как «сборщик». На самом деле так называется программа-транслятор, принимающая на входе текст, содержащий условные обозначения машинных команд, удобные для человека, и переводящая эти обозначения в последовательность соответствующих кодов машинных команд, понятных процессору. В отличие от машинных команд, их условные обозначения, называемые также мнемониками, запомнить сравнительно легко, так как они представляют собой сокращения от английских слов. В дальнейшем мы будем для простоты именовать мнемоники ассемблерными командами. Язык условных обозначений и называется языком ассемблера.
На заре компьютерной эры первые ЭВМ занимали целые комнаты и весили не одну тонну, имея объем памяти с воробьиный мозг, а то и того меньше. Единственным способом программирования в те времена было вбивать программу в память компьютера непосредственно в цифровом виде, переключая тумблеры, проводки и кнопочки. Число таких переключений могло достигать нескольких сотен и росло по мере усложнения программ. Встал вопрос об экономии времени и денег. Поэтому следующим шагом в развитии стало появление в конце сороковых годов прошлого века первого транслятора-ассемблера, позволяющего удобно и просто писать машинные команды на человеческом языке и в результате автоматизировать весь процесс программирования, упростить, ускорить разработку программ и их отладку. Затем появились языки высокого уровня и компиляторы (более интеллектуальные генераторы кода с более понятного человеку языка) и интерпретаторы (исполнители написанной человеком программы на лету). Они совершенствовались, совершенствовались — и, наконец, дошло до того, что можно просто программировать мышкой.
Таким образом, ассемблер — это машинно ориентированный язык программирования, позволяющий работать с компьютером напрямую, один на один. Отсюда и его полная формулировка — язык программирования низкого уровня второго поколения (после машинного кода). Команды ассемблера один в один соответствуют командам процессора, но поскольку существуют различные модели процессоров со своим собственным набором команд, то, соответственно, существуют и разновидности, или диалекты, языка ассемблера. Поэтому использование термина «язык ассемблера» может вызвать ошибочное мнение о существовании единого языка низкого уровня или хотя бы стандарта на такие языки. Его не существует. Поэтому при именовании языка, на котором написана конкретная программа, необходимо уточнять, для какой архитектуры она предназначена и на каком диалекте языка написана. Поскольку ассемблер привязан к устройству процессора, а тип процессора жестко определяет набор доступных команд машинного языка, то программы на ассемблере не переносимы на иную компьютерную архитектуру.
Поскольку ассемблер всего лишь программа, написанная человеком, ничто не мешает другому программисту написать свой собственный ассемблер, что часто и происходит. На самом деле не так уж важно, язык какого именно ассемблера изучать. Главное — понять сам принцип работы на уровне команд процессора, и тогда не составит труда освоить не только другой ассемблер, но и любой другой процессор со своим набором команд.
Синтаксис
Общепринятого стандарта для синтаксиса языков ассемблера не существует. Однако большинство разработчиков языков ассемблера придерживаются общих традиционных подходов. Основные такие стандарты — Intel-синтаксис и AT&T-синтаксис.
Общий формат записи инструкций одинаков для обоих стандартов:
Опкод — это и есть собственно ассемблерная команда, мнемоника инструкции процессору. К ней могут быть добавлены префиксы (например, повторения, изменения типа адресации). В качестве операндов могут выступать константы, названия регистров, адреса в оперативной памяти и так далее. Различия между стандартами Intel и AT&T касаются в основном порядка перечисления операндов и их синтаксиса при разных методах адресации.
Используемые команды обычно одинаковы для всех процессоров одной архитектуры или семейства архитектур (среди широко известных — команды процессоров и контроллеров Motorola, ARM, x86). Они описываются в спецификации процессоров.
Например, процессор Zilog Z80 наследовал систему команд Intel i8080, расширил ее и поменял некоторые команды (и обозначения регистров) на свой лад. Например, сменил Intel-команду mov на ld. Процессоры Motorola Fireball наследовали систему команд Z80, несколько ее урезав. Вместе с тем Motorola официально вернулась к Intel-командам, и в данный момент половина ассемблеров для Fireball работает с Intel-командами, а половина — с командами Zilog.
Директивы
Кроме ассемблерных команд, программа может содержать директивы — команды, не переводящиеся непосредственно в машинные инструкции, а управляющие работой компилятора. Набор и синтаксис их значительно разнятся и зависят не от аппаратной платформы, а от используемого компилятора. В качестве набора директив можно выделить:
Достоинства и недостатки
К достоинствам можно отнести следующее:
За недостатки можно принять:
Почему следует изучать язык ассемблера?
В современной практике индустриального программирования языки ассемблера применяются крайне редко. Для разработки низкоуровневых программ практически в большинстве случаев используется язык си, позволяющий достигать тех же целей многократно меньшими затратами труда, причем с такой же, а иногда и большей эффективностью получаемого исполняемого кода (последнее достигается за счет применения оптимизаторов). На ассемблере сейчас реализуются очень специфические участки ядер операционных систем и системных библиотек. Более того, программирование на ассемблере было вытеснено и из такой традиционно ассемблерной области, как программирование микроконтроллеров. Большей частью прошивки для них также пишут на си. Тем не менее программирование на языке ассемблера очень часто применяется при написании программ, использующих возможности процессора, не реализуемые языками высокого уровня, а также при программировании всевозможных нестандартных программистских хитростей. Отдельные ассемблерные модули, как и ассемблерные вставки в текст на других языках, присутствуют и в ядрах операционных систем, и в системных библиотеках того же языка си и других языков высокого уровня. Сегодня едва ли кому придет в голову сумасшедшая мысль писать крупную программу на чистом ассемблере.
Так зачем же тратить время на его изучение? По ряду веских причин, и вот одна из них: ассемблер — это краеугольный камень, на котором покоится все бесконечное пространство программирования, начиная от рождения первого процессора. Каждый физик мечтает разгадать тайну строения вселенной, найти эти загадочные первичные неделимые (низкоуровневые) элементы, из которых она состоит, не удовлетворяясь лишь смутным о том представлением квантовой теории. Ассемблер же и есть та первичная материя, из которой состоит вселенная процессора. Он — тот инструмент, который дает человеку способность мыслить в терминах машинных команд. А подобное умение просто необходимо любому профессиональному программисту, даже если никогда в жизни он не напишет ни единой ассемблерной строчки. Нельзя отрицать того, что невозможно стать математиком, совершенно не имея понятия об элементарной арифметике. На каком бы языке вы ни писали программы, необходимо хотя бы в общих чертах понимать, что конкретно будет делать процессор, исполняя ваше высочайшее повеление. Если такого понимания нет, программист начинает бездумно применять все доступные операции, совершенно не ведая, что на самом деле он творит.
Вообще, профессиональный пользователь компьютера, системный ли администратор, или программист, может позволить себе что-то не знать, но ни в коем случае не может позволить не понимать сути происходящего, как устроена вычислительная система на всех ее уровнях, от электронных логических схем до громоздких прикладных программ. А непонимание чего-то влечет за собой ощущение в глубине подсознания некоей загадочности, непостижимого таинства, происходящего по мановению чьей-то волшебной палочки. Такое ощущение для профессионала недопустимо категорически. Он просто обязан быть уверен вплоть до глубинных слоев подсознания, что то устройство, с которым он имеет дело, ничего волшебного и непознаваемого собой не представляет.
Иными словами, до тех пор пока существуют процессоры, ассемблер будет необходим.
В этом отношении совершенно не важно, какую конкретно архитектуру и язык какого конкретного ассемблера изучать. Зная один язык ассемблера, ты с успехом можешь начать писать на любом другом, потратив лишь некоторое время на изучение справочной информации. Но самое главное в том, что, умея мыслить языком процессора, ты всегда будешь знать, что, для чего, почему и зачем происходит. А это уже не просто уровень программирования мышкой, а путь к созданию программного обеспечения, несущего печать великого мастерства.
Ассемблер — программирование или искусство?
Скажем так, все зависит от того, в чьих руках он находится. Ассемблер — это первичный элемент мира процессора, из сочетаний этих элементов складывается его душа, его самосознание. Подобно тому, как вся музыка, написанная в истории человечества, состоит из сочетаний семи нот, так и сочетание ассемблерных команд наполняет компьютерный мир цифровой жизнью. Кто знает лишь три аккорда — это «попса», кому же известна вся палитра — это классика.
Почему же наука так жаждет проникнуть в квантовые глубины и захватить в свои руки неуловимый первичный кирпичик материи? Чтобы получить над ней власть, изменять ее по своей воле, стать на уровень Творца Вселенной. В чьи руки попадет такая власть — это еще вопрос. В отличие от науки, в мире программирования тайн нет, нам известны кирпичики, его составляющие, а следовательно, и та власть над процессором, которую нам дает знание ассемблера.
Чтобы программирование на языке ассемблера поднялось на уровень искусства, нужно постичь его красоту, скрывающуюся за потоком единиц и нулей. Как и в любой отрасли человеческой деятельности, в программировании можно быть посредственностью, а можно стать Мастером. И то и другое отличает степень культуры, образования, труда и, главное, то, сколько души автор вкладывает в свое творение.
Ассемблер и терминатор
Не так давно Джеймс Кэмерон выпустил в свет 3D-версию второго «Терминатора», и в качестве интересного исторического факта можно отметить один любопытный момент из жизни киборга-убийцы.
Кадр из фильма «Терминатор»
Здесь мы видим «зрение» терминатора, а слева на нем отображается ассемблерный листинг. Судя по нему, знаменитый Уничтожитель работал на процессоре MOS Technology 6502 либо на MOS Technology 6510. Этот процессор впервые был разработан в 1975 году, использовался на компьютерах Apple и, помимо всего прочего, на знаменитых игровых приставках того времени Atari 2600 и Nintendo Entertainment System (у нас более известной как Dendy). Имел лишь три 8-разрядных регистра: А-аккумулятор и два индексных регистра X и Y. Такое малое их количество компенсировалось тем, что первые 256 байт оперативной памяти (так называемая нулевая страница) могли адресоваться специальным образом и фактически использовались в качестве 8-разрядных или 16-разрядных регистров. У данного процессора было 13 режимов адресации на всего 53 команды. У терминатора идет цепочка инструкций LDA-STA-LDA-STA. В семействе 6502 программы состояли чуть менее чем полностью из LDA/LDY/LDX/STA/STX/STY:
Чтение и запись в порты ввода-вывода также выполнялись этими командами, и программа терминатора имеет вполне осмысленный вид, а не представляет собой бестолковую фантазию сценариста: MOS Technology 6502 / Система команд.
Отрасли практического применения
Ранее упоминалось, что в наше время ассемблер почти вытеснен языками высокого уровня. Однако и по сей день ему находится применение. Приведем некоторые примеры.
Вместо заключения
Мы продолжим погружаться в ассемблер в следующих статьях цикла. Темы этого цикла мы в целом определили, но если у тебя есть какие-нибудь идеи или пожелания — смело пиши в комменты, все учтем. ?