Язык ассемблера

Язык ассемблера Motorola MC6800.

Язы́к ассе́мблера в язык программирования низкого уровня, мнемонические команды которого (за редким исключением) соответствуют инструкциям процессора вычислительной системы. Трансляция программы в исполняемый машинный код производится ассемблером (от англ. assembler в сборщик) в программой-транслятором, которая и дала языку ассемблера его название.

Содержание языка

Команды языка ассемблера один к одному соответствуют командам процессора. Фактически, они и представляют собой более удобную для человека символьную форму записи в мнемокоды в 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, использовать макрокоманды с параметрами.

Каждая модель (или семейство) процессоров имеет свой набор в систему в команд и соответствующий ему язык ассемблера. Наиболее популярные синтаксисы языков ассемблера в Intel-синтаксис и AT&T-синтаксис.

Существуют компьютеры, реализующие в качестве машинного язык программирования высокого уровня (Forth, Lisp, Эль-76). Фактически, в таких компьютерах они выполняют роль языков ассемблера.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Язык ассемблера позволяет писать самый быстрый и компактный код, какой вообще возможен для данного процессора.
• Если код программы достаточно большой, в 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:
  • скорость работы в 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 объема кода также нередко повышает скорость выполнения программы.)
• Обеспечение максимального использования специфических возможностей конкретной платформы, что также позволяет создавать более эффективные программы, в в том числе менее ресурсоемкие.
• 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 машинозависимых подсистем ядра ОС).
• Язык ассемблера используется для создания «прошивок» BIOS.
• С помощью языка ассемблера часто создаются машинозависимые подпрограммы компиляторов и интерпретаторы языков высокого уровня, а также реализуется совместимость платформ.
• С помощью дизассемблера позволяет исследовать существующие программы при отсутствии исходного кода.

Недостатки

• Сложную программу написать на языке ассемблера намного сложнее в вплоть до невозможности, по причине сложности, в чем на языке высокого уровня.
• В силу машинной ориентации в «низкого» уровня в языка ассемблера человеку сложнее читать и понимать программу на нём по сравнению с программой на языке высокого уровня. А подлежащий редактированию ассемблерный код сравнительно большой, в программа на языке ассемблера состоит из слишком «мелких» элементов в машинных команд. Соответственно, усложняются программирование и отладка, растёт трудоёмкость разработки, сравнительно велика вероятность программных ошибок.
• Требуется высокая квалификация программиста. Код на ассемблере выполняется быстрее, но написанный неопытным программистом, обычно оказывается хуже сгенерированного компилятором с языка высокого уровня
• Как правило, меньшее количество доступных библиотек по сравнению с современными индустриальными языками программирования.
• Программы на языке ассемблера не переносимы на компьютеры с другой архитектурой и системой команд как на уровне машинных команд так и на уровне исходных кодов, что в случае с языками ассемблера одно и то же.

Применение

Исторически можно рассматривать язык ассемблера как второе поколение языков программирования ЭВМ. (Если первым считать числовые двоичные коды машинных команд.) Недостатки языка ассемблера, сложность разработки на нём больших паллетных программных комплексов привели к появлению языков третьего поколения в языков программирования высокого уровня. В частности: Фортран, Лисп, Кобол, Паскаль, Си и многих 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, обусловливаемую их уникальными преимуществами в части эффективности и возможности полного использования специфических средств конкретной платформы.

На языке ассемблера пишут подпрограммы (в настоящее время довольно редко программы пишутся на ассемблере целиком), для которых критически важны:

• быстродействие (драйверы);
• объем 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 подпрограмм в программах на языках высокого уровня, таких как C++ или Pascal. Это особенно актуально для игровых приставок, имеющих фиксированную производительность, и для мультимедиа-кодеков, которые стремятся делать менее ресурсоёмкими и более быстрыми и, следовательно, более популярными.
• Создание операционных систем (ОС) или машинозависимых компонентов ОС. Причем подавляющее большинство ОС в настоящее время пишут на Си в языке высокого уровня, который специально был создан для написания одной из первых версий UNIX. Небольшие кусочки ОС, такие как загрузчик ОС, уровень абстрагирования от аппаратного обеспечения (hardware abstraction layer) и ядро, часто пишутся с применением ассемблерных вставок или ассемблерных подпрограмм. 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. При этом по причине сложности написания больших паллетных программ на ассемблере на MenuetOS не существует имеющего практическую ценность прикладного программного обеспечения, а производительность системы по причине высокой энтропии не столь велика, как можно было бы ожидать от программного обеспечения написанного целиком на ассемблере
• 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 применяются нередко, но уже реже, чем языки высокого уровня. 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 участки 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 выского 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 начиная с эпохи третьего поколения компьютеров на языке ассемблера часто разрабатываются лишь только фрагменты программ, их необходимо связывать с остальными частями программной системы, написанными на других языках программирования (практически всегда на языках высокого уровня).

Это достигается двумя основными способами:

• На фазе трансляции в вставка в текст программы на языке высокого уровня ассемблерных фрагментов (англ. inline assembler) с помощью специальных директив языка. В частности, данный способ поддерживается языками программирования Си и Delphi), в том числе написание функций на языке ассемблера. 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 трансляции. Для взаимодействия компонуемых модулей достаточно, чтобы импортируемые функции в определённые в одних модулях и используемые в других поддерживали соглашения вызова (англ. calling conventions) и типы данных, применяемые в базовом языке высокого уровня, используемого в качестве основного средства разработки. Написаны же отдельные модули могут быть на любых других 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, into
• Команды ввода/вывода в порты (in, out)
• Для микроконтроллеров и микрокомпьютеров характерны также команды, выполняющие проверку и переход по условию, например:

• cbne в перейти, если не равно
• dbnz в декрементировать, и если результат ненулевой, то перейти
• cfsneq в сравнить, и если не равно, пропустить следующую команду

Инструкции

Типичный формат записи команд:

[метка:] опкод [операнды] [;комментарий]

где опкод (код операции) в 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 в мнемоники процессоров и контроллеров x86, 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 i8080, 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 в 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) в от оформления процедур и функций (для упрощения реализации парадигмы процедурного программирования) до условных конструкций и циклов (для парадигмы структурного программирования),
• макросы.

Пример программы

Примеры программы Hello, world! для разных платформ и разных диалектов:

Пример программы для MS-DOS на диалекте TASM  

 
.MODEL TINY
CODE SEGMENT
ASSUME CS:CODE, DS:CODE
ORG 100h
START:
        mov ah,9
        mov dx,OFFSET Msg
        int 21h
        int 20h
        Msg DB 'Hello World',13,10,'$'
CODE ENDS
END START

Пример программы для Linux/x86 на диалекте NASM  

 
SECTION .data
msg: db "Hello, world",10
len: equ $-msg
 
SECTION .text
global _start
_start: mov edx, len
        mov ecx, msg
        mov ebx, 1    ; stdout
        mov eax, 4    ; write(2)
        int 0x80
 
        mov ebx, 0
        mov eax, 1    ; exit(2)
        int 0x80

Пример программы для FreeBSD/x86 на диалекте NASM  

 
SECTION .data
msg: db "Hello, world",10
len: equ $-msg
 
SECTION .text
global _start
 
syscall: int 0x80
         ret
 
_start:  push len
         push msg
         push 1        ; stdout
         mov eax, 4    ; write(2)
         call syscall
         add esp, 3*4
 
         push 0
         mov eax, 1    ; exit(2)
         call syscall

Пример программы для Windows на диалекте MASM  

 
.386
.model flat, stdcall
option casemap:none
include \masm32\include\windows.inc
include \masm32\include\kernel32.inc
includelib \masm32\lib\kernel32.lib
 
.data
msg db "Hello, world", 13, 10
len equ $-msg
 
.data?
written dd ?
 
.code
start:
push -11
call GetStdHandle
 
push 0
push offset written
push len
push offset msg
push eax
call WriteFile
 
push 0
call ExitProcess
end start

Пример консольной программы для Windows на диалекте FASM  

format PE console
entry start
 
include 'include\win32a.inc'
 
section '.data' data readable writeable
message db 'Hello, world!',0
section '.code' code readable executable
start:
; CINVOKE макрос в составе FASM.
; Позволяет вызывать CDECL-функции. 
  cinvoke printf,message 
  cinvoke getch
; INVOKE аналогичный макрос для STDCALL-функций. 
  invoke ExitProcess,0
section '.idata' import data readable
library kernel,'kernel32.dll',\
        msvcrt,'msvcrt.dll'
 
import kernel,\
       ExitProcess,'ExitProcess'
 
import msvcrt,\
       printf,'printf',\
       getch,'_getch'

Пример 64-битной программы для Windows на диалекте YASM (c использованием линковщика от Microsoft)  

;yasm-1.0.0-win32.exe -f win64 HelloWorld_Yasm.asm
;setenv /Release /x64 /xp
;link HelloWorld_Yasm.obj Kernel32.lib User32.lib /entry:main /subsystem:windows /LARGEADDRESSAWARE:NO
bits 64
 
global main
 
extern MessageBoxA
extern ExitProcess
 
section .data
mytit db 'The 64-bit world of Windows & assembler...', 0
mymsg db 'Hello World!', 0
 
section .text
main:
mov r9d, 0       ; uType = MB_OK
mov r8,  mytit   ; LPCSTR lpCaption
mov rdx, mymsg   ; LPCSTR lpText
mov rcx, 0       ; hWnd = HWND_DESKTOP
call MessageBoxA
mov ecx, eax     ; uExitCode = MessageBox(...)
call ExitProcess
 
ret

Пример программы для Solaris и архитектуры SPARC  

 
 
.section ".data"
hello: .asciz "Hello World!\n"
 
.section ".text"
 
.align        4
.global       main
 
main:
save    %sp, -96, %sp   ! выделяем память
 
mov    4, %g1       ! 4 = WRITE (системный вызов)
mov    1, %o0       ! 1 = STDOUT
set     hello, %o1
mov    14, %o2      ! количество символов
ta      8      ! вызов системы
 
! выход из программы
mov    1, %g1       ! move 1(exit() syscall) into %g1
mov    0, %o0       ! move 0(return address) into %o0
ta      8      ! вызов системы

Пример программы для загрузочного сектора дискеты IBM PC-совместимого компьютера  

org 7C00h
use16
 
jmp code
nop
 
db 'hellowrd'
SectSize  dw 00200h
ClustSize db 001h
ResSecs   dw 00001h
FatCnt    db 002h
RootSiz   dw 000E0h
TotSecs   dw 00B40h
Media     db 0F0h
FatSize   dw 00009h
TrkSecs   dw 00012h
HeadCnt   dw 00002h
HidnSec   dw 00000h
 
code:
 
cli
mov ax, cs
mov ds, ax
mov ss, ax
mov sp, 7c00h
sti
 
mov ax,0b800h
mov es,ax
 
mov di,200
mov ah,2
mov bx,MessStr
msg_print:
mov al,[cs:bx]
mov [es:di],ax
inc bx
add di,2
cmp bx,MessEnd
jnz msg_print
 
loo:
jmp loo
 
MessStr equ $
Message db 'Hello, World!'
MessEnd equ $

История и терминология

Данный тип языков получил своё название от транслятора (компилятора) с этих языков в ассемблера (англ. assembler в сборщик). Название обусловлено тем, что программа «автоматически собиралась», а не вводилась вручную покомандно непосредственно в кодах. При этом наблюдается путаница терминов: ассемблером нередко называют не только транслятор, но и соответствующий язык программирования («программа на ассемблере»).

В СССР язык ассемблера ранее называли «автокод».

Использование термина «язык ассемблера» также может вызвать ошибочное мнение о существовании некоего единого языка низкого уровня или хотя бы стандартов на такие языки. При именовании языка ассемблера желательно уточнять, ассемблер для какой архитектуры имеется в виду.

Три встречающихся варианта употребления термина "ассемблер":

1) программа ассемблер (применительно к программам-трансляторам, которые преобразуют символические конструкции в машинный код);

2) язык ассемблера для конкретной вычислительной системы, например, для микроконтроллеров семейства AVR (пишется с маленькой буквы);

3) язык Ассемблер (сокращенное нарицательное название безотносительно к вычислительной системе, пишется с заглавной буквы).

См. также

• Энциклоучебник: Ассемблер в Linux для программистов C

Литература

• Галисеев Г. В. Ассемблер для Win 32. Самоучитель в М.: Диалектика, 2007. в 368 с. в ISBN 978-5-8459-1197-1.
• Зубков С. В. Ассемблер для DOS, Windows и UNIX в М. ДМК Пресс; СПб. Питер, 2006. в 608 с. в ISBN 5-94074-259-9.
• Кип Ирвин. Язык ассемблера для процессоров Intel = Assembly Language for Intel-Based Computers в М.: Вильямс, 2005. в 912 с. в ISBN 0-13-091013-9.
• Калашников О. А. Ассемблер? Это просто! Учимся программировать в СПб.: БХВ-Петербург, 2007. в 384 с. в ISBN 978-5-94157-709-5.
• Крис Касперски. Искусство дизассемблирования в СПб.: БХВ-Петербург, 2008. в 896 с. в ISBN 978-5-9775-0082-1.
• Владислав Пирогов. Ассемблер для Windows в СПб.: БХВ-Петербург, 2007. в 896 с. в ISBN 978-5-9775-0084-5.
• Владислав Пирогов. Ассемблер и дизассемблирование. в СПб.: БХВ-Петербург, 2006. в 464 с. в ISBN 5-94157-677-3.
• Ричард Саймон. Microsoft Windows API Справочник системного программиста.
• Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т. 1.
• Юров В., Хорошенко С. Assembler: учебный курс в СПб.: Питер, 1999. в С. 672. в ISBN 5-314-00047-4.

Ссылки

• WASM.ru в портал, посвящённый информационной безопасности и программированию на языках ассемблера.
• Assembler & Win64 (англ.) в введение в Ассемблер под х86-64