WikiSort.ru - Программирование

Язы́к ассе́мблера (англ. assembly language) — машинно-ориентированный язык программирования низкого уровня. Его команды прямо соответствуют отдельным командам машины или их последовательностям, также он может предоставлять дополнительные возможности облегчения программирования, такие как макрокоманды, выражения, средства обеспечения модульности программ. Может рассматриваться как автокод (см. ниже), расширенный конструкциями языков программирования высокого уровня^[1][2]. Является существенно платформо-зависимым. Языки ассемблера для различных аппаратных платформ несовместимы, хотя могут быть в целом подобны.

В русском языке может именоваться просто «ассемблером» (типичны выражения типа «писать программу на ассемблере»), что, строго говоря, неверно, так как ассемблером именуется утилита трансляции программы с языка ассемблера в объектный код компьютера.

Автокод — язык программирования, предложения которого по своей структуре в основном подобны командам и обрабатываемым данным конкретного машинного языка^[2].

Общее определение

Язык ассемблера — система обозначений, используемая для представления в удобно читаемой форме программ, записанных в машинном коде. Язык ассемблера позволяет программисту пользоваться алфавитными мнемоническими кодами операций, по своему усмотрению присваивать символические имена регистрам ЭВМ и памяти, а также задавать удобные для себя схемы адресации (например, индексную или косвенную). Кроме того, он позволяет использовать различные системы счисления (например, десятичную или шестнадцатеричную) для представления числовых констант и даёт возможность помечать строки программы метками с символическими именами с тем, чтобы к ним можно было обращаться (по именам, а не по адресам) из других частей программы (например, для передачи управления)^[3].

Перевод программы на языке ассемблера в исполнимый машинный код (вычисление выражений, раскрытие макрокоманд, замена мнемоник собственно машинными кодами и символьных адресов на абсолютные или относительные адреса) производится ассемблером — 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 — мнемокоды — команд и их аргументов. При этом одной команде языка ассемблера может соответствовать несколько вариантов команд процессора^[4].

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 — систему — команд и соответствующий ему язык ассемблера. Наиболее популярные синтаксисы языков ассемблера — Intel-синтаксис и AT&T-синтаксис.

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

Возможности

Использование языка ассемблера предоставляет программисту ряд возможностей, как правило, недоступных при программировании на языках высокого уровня. Большинство из них связано с близостью языка к аппаратной платформе.

• Возможность максимально полного использования всех особенностей аппаратной платформы позволяет, теоретически, писать самый быстрый и компактный код из возможных для данного процессора. Искусный программист, как правило, способен значительно оптимизировать программу по сравнению с транслятором с языка высокого уровня по одному или нескольким параметрам и создать код, близкий к оптимальному по Парето (как правило, быстродействие программы достигается за счёт удлинения кода и наоборот):
  • за счёт более рационального использования ресурсов процессора, например, максимально эффективного размещения всех исходных данных в регистрах, можно исключить излишние обращения к оперативной памяти;
  • за счёт ручной оптимизации вычислений, в том числе более эффективного использования промежуточных результатов, может быть сокращён объём кода и повышена скорость программы.
• Возможность непосредственного доступа к аппаратуре, и, в частности, портам ввода-вывода, конкретным адресам памяти, регистрам процессора (впрочем, данная возможность существенно ограничивается тем, что во многих операционных системах прямое обращение из прикладных программ для записи в регистры периферийного оборудования блокировано для надёжности работы системы).

Использование ассемблера практически не имеет альтернативы при создании:

• драйверов оборудования и ядра операционной системы (по крайней мере, машинозависимых подсистем ядра ОС), тогда, когда важно временно́е согласование работы периферийных устройств с центральным процессором;
• программ, которые должны храниться в ПЗУ ограниченного объёма и/или выполняться на устройствах с ограниченной производительностью («прошивок» компьютеров и различных электронных устройств)
• платформо-зависимых компонентов компиляторов и интерпретаторов языков высокого уровня, системных библиотек и кода, реализующего совместимость платформ.

Отдельно можно отметить, что с помощью программы-дизассемблера возможно преобразование откомпилированной программы в программу на языке ассемблера. В большинстве случаев это единственный (хотя и крайне трудоёмкий) способ обратного реконструирования алгоритмов программы, если не доступен её исходных код на языке высокого уровня.

Ограничения

• В силу машинной ориентации («низкого уровня») языка ассемблера человеку сложнее читать и понимать программу на нём по сравнению с языками программирования высокого уровня. Это серьёзно затрудняет сопровождение программ, написанных на языке ассемблера.
• Программа на языке ассемблера состоит из очень «мелких» элементов — машинных команд, соответственно, объём программы в командах пропорционально больше. Поскольку, как известно, программист за единицу времени может написать и отладить примерно одно и то же число операторов, вне зависимости от языка, на котором он пишет, разработка на ассемблере больших программ оказывается существенно медленнее.
• Усложняются программирование и отладка, растут трудоёмкость и вероятность внесения ошибок.
• Требуется повышенная квалификация программиста для получения качественного кода: код, написанный средним программистом на языке ассемблера, обычно оказывается не лучше или даже хуже кода, порождаемого оптимизирующим компилятором для сравнимых программ, написанных на языке высокого уровня^[5]. При этом чем больше объём программы, тем меньше выигрыш от использования языка ассемблера.
• Программа на языке высокого уровня может быть перекомпилирована с автоматической оптимизацией под особенности новой целевой платформы^[6], программа же на языке ассемблера на новой платформе может потерять своё преимущество в скорости без ручного переписывания кода^[7][8].
• Как правило, меньшее количество доступных библиотек по сравнению с современными индустриальными языками программирования.
• Отсутствует переносимость программ на компьютеры с другой архитектурой и системой команд.

Применение

Исторически, если первым поколением языков программирования считать машинные коды, то язык ассемблера можно рассматривать как второе поколение языков программирования. Недостатки языка ассемблера, сложность разработки на нём больших программных комплексов привели к появлению языков третьего поколения — языков программирования высокого уровня (таких как Фортран, Лисп, Кобол, Паскаль, Си и 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, обусловленную их уникальными преимуществами в части эффективности и возможности полного использования специфических средств конкретной платформы.

На языке ассемблера пишут программы или их фрагменты в тех случаях, когда критически важны:

• быстродействие (драйверы, игры);
• объём 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 участков программ в программах на языках высокого уровня, таких как C++ или Pascal. Это особенно актуально для игровых приставок, имеющих фиксированную производительность, и для мультимедийных кодеков, которые стремятся делать менее ресурсоёмкими и более быстрыми.
• Создание операционных систем (ОС) или их компонентов. В настоящее время подавляющее большинство ОС пишут на более высокоуровневых языках (в основном на Си — языке высокого уровня, который специально был создан для написания одной из первых версий UNIX). Аппаратно зависимые участки кода, такие как загрузчик ОС, уровень абстрагирования от аппаратного обеспечения (hardware abstraction layer) и ядро, часто пишутся на языке ассемблера. 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 и KolibriOS, целиком написаны на языке ассемблера. При этом MenuetOS и KolibriOS помещаются на дискету и содержат графический многооконный интерфейс.
• Программирование микроконтроллеров (МК) и других встраиваемых процессоров. По мнению профессора Таненбаума, развитие МК повторяет историческое развитие компьютеров новейшего времени^[9]. Сейчас (2013 г.) для программирования МК весьма часто применяют язык ассемблера (хотя и в этой области широкое распространение получают языки вроде Си). 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^[10].
• Создание драйверов. Драйверы (или их некоторые программные модули) программируют на языке ассемблера. Хотя в настоящее время драйверы также стремятся писать на языках высокого уровня (на высокоуровневом языке много проще написать надёжный драйвер) в связи с повышенными требованиями к надёжности и достаточной производительностью современных процессоров (быстродействие обеспечивает временно́е согласование процессов в устройстве и процессоре) и достаточным совершенством компиляторов с языков высокого уровня (отсутствие ненужных пересылок данных в сгенерированном коде), подавляющая часть современных драйверов пишется на языке ассемблера. Надёжность для драйверов играет особую роль, поскольку в Windows NT и UNIX (в том числе в Linux) драйверы работают в режиме ядра системы. Одна тонкая ошибка в драйвере может привести к краху всей системы.
• Создание антивирусов и других защитных программ.
• Написание кода низкоуровневых библиотек трансляторов языков программирования.

Синтаксис

Синтаксис языка ассемблера определяется системой команд конкретного процессора.

[метка:] [ [префикс] мнемокод [операнд {, операнд}] ] [;комментарий]

 
.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

 
.MODEL SMALL
.DATA
        msg DB 'Hello World',13,10,'$'
.CODE
START:
        mov ax, @DATA
        mov ds, ax
        mov ax, 0900h
        lea dx, msg
        int 21h
        mov ax, 4C00h
        int 21h
END START

 
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

 
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

 
.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

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'

;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

.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

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 названия транслятора (компилятора) с этих языков — ассемблера (англ. assembler — 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»).

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.

Примечания

Литература

	Язык ассемблера в Викиучебнике
	Язык ассемблера на Викискладе

• Галисеев Г. В. Ассемблер для Win 32. Самоучитель. — М.: Диалектика, 2007. — 368 с. — ISBN 978-5-8459-1197-1.
• Зубков С. В. Ассемблер для DOS, Windows и UNIX. — М. ДМК Пресс; СПб. Питер, 2006. — 608 с. — ISBN 5-94074-259-9.
• Кип Ирвин. Язык ассемблера для процессоров Intel = Assembly Language for Intel-Based Computers. — М.: Вильямс, 2005. — 912 с. — ISBN 0-13-091013-9.
• Калашников О. А. Ассемблер? Это просто! Учимся программировать. — СПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 384 с. — ISBN 978-5-94157-709-5.
• Крис Касперски. Искусство дизассемблирования. — СПб.: БХВ-Петербург, 2008. — 896 с. — ISBN 978-5-9775-0082-1.
• Владислав Пирогов. Ассемблер для Windows. — СПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 896 с. — ISBN 978-5-9775-0084-5.
• Владислав Пирогов. Ассемблер и дизассемблирование. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 464 с. — 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. — СПб.: Питер, 1999. — С. 672. — ISBN 5-314-00047-4.
• Аблязов Р. З. Программирование на ассемблере на платформе х86-64. — М.: ДМК Пресс, 2011. — С. 304. — ISBN 978-5-94074-676-8.
• Юричев Д., Понимание языка ассемблера https://yurichev.com/writings/UAL-RU.pdf
• Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера.. — 2-е. — БХВ-Петербург, 2014. — 368 с. — (Электроника). — ISBN 9785977533119.

Ссылки

• WASM.in — портал, посвящённый информационной безопасности и программированию на языках ассемблера.
•  — Архив статей с сайта «wasm.ru». На самом сайте в данный момент доступен только форум
• Assembler & Win64 (англ.) — введение в ассемблер под х86-64