Что такое Ассемблер и для чего нужен

Что такое Ассемблер

Давайте для начала разберемся с уровнями языка. В программировании их всего два: низкоуровневые и высокоуровневые.

Высокоуровневые языки просты для человеческого понимания: такие же простые, как английский, русский или разговорный язык любой страны. На таких языках легко писать программы и приложения. Они созданы для решения конкретных проблем и задач. Среди языков программирования к таковым относятся С, С++, Pascal, Python, Basic.

Говоря о низкоуровневых языках, их можно поделить на две основные категории:

• Машинный код

Они имеют следующий вид:

0100011101011111000101100

Программы, написанные подобным языком, машина выполняет очень быстро. Примерно так, как вы легко понимаете родную речь (значительно легче, чем любой иностранный язык, пусть и хорошо выученный).

В случае машины все инструкции направляются напрямую в центральный процессор, не нуждаясь в предварительной обработке и переводе.

Казалось бы, почему не писать на машинном коде все программы?

На это есть четыре серьезных причины:

1. Отсутствие универсальности. Программа подойдет не для всех машин – устройство у всех разное, программа может работать на определенной машине и не подойти для другой

2. Сложность. Программист обязан знать аппаратную часть машины, для которой пишет программу

3. Риск ошибки. Учитывая однообразность языка, включающего всего два символа, вероятность ошибиться огромна

4. По этой же причине практически невозможно редактировать готовый код

Как видите, работать с машинным языком в его исходном виде не представляется возможным. Поэтому программисты придумали более комфортный язык Ассемблера.

• Языки Ассемблера

Фактически это примитивный переводчик с высокоуровневого языка, понятного человеку, на простой двоичный машинный код.

Код на ассемблере пишет все еще человек, но тот максимально близок к принципу работы машины. В целом ассемблер – это не один язык, а группа языков с общим синтаксисом и принципами, но ввиду схожести их решили назвать общим понятием «Ассемблер».

Преимущества Ассемблера:

• Легко найти ошибку и исправить ее

• Легко редактировать код

• В целом язык легче понимать и использовать, ведь коды и числа тут заменены специальными короткими словами — мнемониками. Например, перемещение информации обозначается мнемоником MOV, добавление Add

Впрочем, есть и недостатки, в основном пришедшие из машинного кода:

• Сохраняется зависимость от машины. Программы все еще работают только для конкретной марки и модели ПК

• Программист должен знать аппаратное обеспечение машины, для которой пишет код

Резюмируя сказанное:

Ассемблер — это промежуточный язык-переводчик между высокоуровневыми языками программирования, удобными для людей, и двоичным кодом, удобным для машин. Это все еще сложный для понимания и работы язык, лишь на одну ступень проще машинного кода — но благодаря мнемоникам он уже доступен для редактирования. Позволяет без серьезных усилий переносить программу с машины с одной системой команд на другую.

Есть также дизассемблер — программа, переводящая с машинного языка на понятный человеку ассемблер.

О процессорах и языке 

Сейчас попробуем объяснить принципы работы ассемблера. Для этого нужно понимать, как именно работает ЦП, и как воспринимает поступающие команды.

Процессор это в первую очередь электронное устройство, воспринимающее только уровень напряжения: высокий либо низкий. Уровни напряжения кодируются условно как 0 и 1, поэтому команды для ЦП выглядят как непрерывная последовательность нулей и единиц.

На основе двоичного языка создается машинный код. Это перечень инструкций, каждая из которых содержит одно простое действие: числовую арифметику, логическую операцию, ввод-вывод данных и другие.

Например, так выглядит команда сложения двух чисел для ЦП Intel 8088:

0000001111000011В

Практически невозможно программировать на голом машинном языке: вам придется иметь дело с множеством нулей и единиц. Вы легко можете совершить ошибку.

Поэтому от идеи писать в двоичном коде отказались еще в 50х годах, а в 70х начали активно использовать возможности Ассемблера.

В нем коды операции обозначались сокращениями от английских слов (обычно 2-3 буквы в сокращении).

Пример: чтобы переместить число 7 в ячейку AV, использовалась команда MOV AV, 7.

История создания

Еще в 50х годах 20го века Кэтлин Бут придумала язык Ассемблер. Будучи инженером и ученым, она стала новатором с области информатики, прославив Канаду и Британию, откуда была родом.

Ассемблер применялся тогда на огромных ЭВМ, работавших на электронных лампах. Память у таких компьютеров была ограничена, потому чтобы ввести команду, приходилось переключать рубильники и кнопки. Даже простые вычисления на таких аппаратах занимали много времени и сил.

Ситуация упростилась, когда память компьютеров выросла достаточно, чтобы хранить в ней программы. Тогда и потребовался Ассемблер для перевода написанных человеком программ в машинный код. От этого пошло название программы – Assemble (англ. «собирать»), программа-сборщик.

Изобретение не сразу оценили по достоинству, и Ассемблер начали активно использовать только через 20 лет в появившихся тогда калькуляторах с памятью. И только потом язык стали применять для программирования ПК. Тогда оказалось, что программы, написанные на ассемблере весят существенно меньше их вариантов в машинном коде – что для ограниченных резервов ЭВМ было критически важно.

Как устроен

Чтобы понять, как именно функционирует Ассемблер, давайте разберемся в устройстве компьютерного процессора и том, как он обрабатывает данные.

Мы уже знаем, что процессор – это мозг ЭВМ, ответственный за выполнение операций. В процессе работы промежуточные данные хранят в регистрах в процессоре компьютера, так называемых ячейках памяти.

Итак, ассемблер работает исключительно с процессорными командами, а также переменными и различными регистрами. Они не затрагивают операционную систему или файлы, а работают только с самым нижним уровнем, доступным для человека. Такой способ позволяет напрямую обращаться к регистрам и любому устройству вне ПК, взаимодействуя через адаптер.

Команды для Ассемблера имеют следующий вид:

[<метка>:] <команда> [<операнд>] [;<комментарии>]

• Меткой именуется определенная часть кода. Так можно отметить место, с которого начнем дальнейшую работу, либо отметить нужный участок памяти, к которому будем обращаться.

• Команда является словом или обозначением (add, sub), которое будет передано в процессор в виде строки машинного кода. Через команды программисту проще понимать код и работать с ним.

• Операнда – действие, которое нужно выполнить при получении команды. Т.е. из каких ячеек брать информацию, куда помещать результат. Все манипуляции с памятью определяются операндами.

• Комментарии — тут все понятно, это уточнение по поводу участка кода, не влияет на алгоритм и нужно для работы программиста.

Теперь разберем на примере, как именно процессор работает с операндами, и какие операции выполняет.

Коды операций, как мы говорили ранее, обозначаются с помощью мнемоников. Например:

• ADD — сложение

• SUB — вычитание

• MUL — умножение

У ячеек памяти и регистров тоже есть символические имена:

EBX, AH, AX, EAX – регистры

Meml — ячейка памяти

Разберем на примерах. Вам нужно вычесть числа из регистров АХ и ВХ. Команда выглядит так:

SUB AX, BX

А это команда сложения чисел из регистров

ADD AX, BX

В Ассемблере есть также директивы, они нужны для управления программой-ассемблером (она же компилятор).

Примеры таких команд:

• Include — открыть файл и начать работу

• Exit — прекратить работу

• Def — определить регистр, дав ему имя

Будет заблуждением считать Ассемблер обычным переводчиком на машинный язык, представленным рядом команд и инструкций. Это полноценный язык программирования, и, хотя он значительно сложнее языков высокого уровня, он позволяет организовывать переходы, циклы, функции и другие необходимые вещи.

При этом для языков Ассемблера не предусмотрен единый стандарт. В целом можно выделить два синтаксиса: Intel и AT&T, но они равноценны по качеству и отличаются только функционалом: Intel используют в Microsoft, а AT&T в Linux.

При этом команды в этих синтаксисах выглядят по-разному:

• MOV EAX, EBX для Intel

• Movl %eax, %ebx для AT&T

Управление файлами в Ассемблер предполагает три стандартных файловых потока:

• Stdin — ввод

• sdout — вывод

• stderr — ошибка

Дескриптор файла – это целое число в 16бит, его присваивают файлу, чтобы оно служило его идентификатором. Далее дескриптор используется для доступа к новому, либо уже существующему файлу.

Обычно это выглядит следующим образом:

• Stdin — 0

• Stdout — 1

• Stderr — 2

Указатель файла показывает его место расположения для дальнейших операций (запись, чтение). Когда файл открыт, его файловый указатель имеет значение 0, далее задается смещение в байтах с точкой отсчета в начале файла.

Системные вызовы требуют следующих шагов обработки:

1. Системный вызов помещаете в регистр ЕАХ

2. Сохраняете аргументы системного вызова в регистрах В, С, D

3. Вызываете прерывание 80h

4. Получаете результат в регистре EAX.

Чтобы создать файл, делаете следующее:

1. Системный вызов sys_creat() помещаете в регистр EAX под номером 8

2. Имя размещаете в регистре EBX

3. Права доступа размещаете в ECX

Если вы все сделали корректно, файловый дескриптор вернется в регистр EAX. В случае ошибки код ошибки будет находиться там же.

Для чего нужен

Вы можете применять Ассемблер в следующих сферах:

• разработке драйверов

• программировании процессоров

• организации микроконтроллеров

• разработке частей ОС

• создании антивирусов и/или вирусов

Обычно Ассемблер применяют там, где нужна большая скорость обработки данных, и где возможностей С++ объективно не хватает. Но так как сам язык в разработке неудобен, большие программы на нем не пишут, скорее создают части программ и встраивают в общий код.

Есть области, в которых не может справиться ни один язык кроме Ассемблера:

• Любые компьютеры, у которых ограничена память

В первую очередь это микроконтроллеры в сигнализациях, датчиках, даже в бытовой технике на вашей кухне. Пульты управления всех видов, модемы и масса других устройств функционируют благодаря микроконтроллерам. Их используют даже в навигационных системах современных спутников и в робототехнике.

Для таких микросистем используется именно Ассемблер, так как каждая его команда преобразуется строго в определенную команду двоичного кода. Время выполнения команды также заранее известно, а объем занимаемой ею памяти фиксированный.

• Драйверы устройств (ядро и процессы загрузки)

То есть то, с чего стартует ваш компьютер, приставка, мультимедийный центр. Кстати, некоторые любительские ОС вроде MenuetOS и KolibriOS целиком написаны на Ассемблере.

• Обратная разработка программ

Она ж реверс-инжиниринг, процесс разбора программы для понимания принципов ее работы. Это бывает нужно, если нет исходного кода, и его нужно понять по работе программы.

Такой разбор нужен компаниям-производителям антивирусов, создателям ОС и драйверов, ну и конечно просто любопытным программистам.

Конечно, бывает и обратная ситуация, когда за реверс-инжиниринг садятся взломщики программ в поисках уязвимостей, для создания вирусов или генерации нелегальных ключей.

Почему один Ассемблер не подходит для всех процессоров?

Суть в том, что каждый процессор имеет свою особую архитектуру — набор характеристик, определяющий принципы работы и исходную конструкцию. Он влияет на регистры, набор команд и вид адресации памяти.

Процессоры из одного семейства имеют одинаковую архитектуру, и к ним может применяться один и тот же Ассемблер. Но если архитектура отличается, то программа, созданная на Ассемблере, не будет работать в другом процессоре (в отличии от программ, написанных на высокоуровневых языках, таких как Python и C++). Поэтому Ассемблер называют машинно-ориентированным.

Востребованность сейчас

Ассемблер как первый язык для изучения – не самый удачный выбор. Сегодня этот язык используется сравнительно нечасто и в очень ограниченных процессах. Он громоздкий и сложный, писать не нам большие программы затруднительно – а при наличии таких языков как С++, еще и нерационально.

Также, изучая Ассемблер, вы не получите представления о других языках программирования. Большинство действующих языков является высокоуровневыми, в то время как ассемблер относится к низкоуровневым языкам и работает по совершенно другим принципам. Так что, когда после Ассемблера решите выучить Python, вам фактически придется разбирать язык и его принципы с нуля, без какой-либо базы.

Так стоит ли изучать Ассемблер

Как ни странно, да.

Это машинно-ориентированный язык, и изучая его, вы получите много полезной информации о принципах работы компьютера. Эти знания даст вам преимущество в дальнейшей работе с высокоуровневыми языками, особенно Си.

В каком порядке учить языки?

Лучше начинать с более популярного высокоуровневого языка, а потом переходить с Ассемблеру. Высокоуровневые языки проще в понимании, так у вас не произойдет потеря интереса к учебе. Ведь низкоуровневый язык вы можете забросить еще до того, как напишете свою первую программу и получите результат.

Востребованы ли сейчас специалисты в Ассемблере?

Если вы знаете только этот язык — то, увы, работу вы не найдете. Как мы уже сказали, язык слишком специфичен. Но если вы владеете C, C++ или Python, и при этом знаете также Ассемблер, то ваши шансы найти хорошую работу повышаются.

Все эти профессии востребованы и хорошо оплачиваются: от 80 до 300 тысяч рублей в зависимости от вашего опыта. Преимущество еще и в том, что многие вакансии предполагают работу онлайн, с которой вы не будете привязаны к одному городу или даже стране, получая возможность работать из любой точки мира.