Язык ассемблер это язык высокого уровня

Почему Ассемблер — это круто, но сложно

Есть высо­ко­уров­не­вые язы­ки — это те, где вы гово­ри­те if — else, print, echo, function и так далее. «Высо­кий уро­вень» озна­ча­ет, что вы гово­ри­те с ком­пью­те­ром более-менее чело­ве­че­ским язы­ком. Дру­гой чело­век может не понять, что имен­но у вас напи­са­но в коде, но он хотя бы смо­жет про­чи­тать слова.

Но сам ком­пью­тер не пони­ма­ет чело­ве­че­ский язык. Ком­пью­тер — это реги­стры памя­ти, про­стые логи­че­ские опе­ра­ции, еди­ни­цы и нули. Поэто­му преж­де чем ваша про­грам­ма будет испол­не­на про­цес­со­ром, ей нужен пере­вод­чик — про­грам­ма, кото­рая пре­вра­тит высо­ко­уров­не­вый язык про­грам­ми­ро­ва­ния в низ­ко­уров­не­вый машин­ный код.

Ассем­блер — это соби­ра­тель­ное назва­ние язы­ков низ­ко­го уров­ня: код всё ещё пишет чело­век, но он уже гораз­до бли­же к прин­ци­пам рабо­ты ком­пью­те­ра, чем к прин­ци­пам мыш­ле­ния человека.

Вари­ан­тов Ассем­бле­ра доволь­но мно­го. Но так как все они рабо­та­ют по оди­на­ко­во­му прин­ци­пу и исполь­зу­ют (в основ­ном) оди­на­ко­вый син­так­сис, мы будем все подоб­ные язы­ки назы­вать общим сло­вом «Ассем­блер».

Как мыслит процессор

Что­бы понять, как рабо­та­ет Ассем­блер и поче­му он рабо­та­ет имен­но так, нам нуж­но немно­го разо­брать­ся с внут­рен­ним устрой­ством процессора.

Кро­ме того, что про­цес­сор уме­ет выпол­нять мате­ма­ти­че­ские опе­ра­ции, ему нуж­но где-то хра­нить про­ме­жу­точ­ные дан­ные и слу­жеб­ную инфор­ма­цию. Для это­го в самом про­цес­со­ре есть спе­ци­аль­ные ячей­ки памя­ти — их назы­ва­ют регистрами.

Реги­стры быва­ют раз­но­го вида и назна­че­ния: одни слу­жат, что­бы хра­нить инфор­ма­цию; дру­гие сооб­ща­ют о состо­я­нии про­цес­со­ра; тре­тьи исполь­зу­ют­ся как нави­га­то­ры, что­бы про­цес­сор знал, куда идти даль­ше, и так далее. Подроб­нее — в расхлопе ↓

Обще­го назна­че­ния. Это 8 реги­стров, каж­дый из кото­рых может хра­нить все­го 4 бай­та инфор­ма­ции. Такой регистр мож­но раз­де­лить на 2 или 4 части и рабо­тать с ними как с отдель­ны­ми ячейками.

Ука­за­тель команд. В этом реги­стре хра­нит­ся толь­ко адрес сле­ду­ю­щей коман­ды, кото­рую дол­жен выпол­нить про­цес­сор. Вруч­ную его изме­нить нель­зя, но мож­но на него повли­ять раз­лич­ны­ми коман­да­ми пере­хо­дов и процедур.

Регистр фла­гов. Флаг — какое-то свой­ство про­цес­со­ра. Напри­мер, если уста­нов­лен флаг пере­пол­не­ния, зна­чит про­цес­сор полу­чил в ито­ге такое чис­ло, кото­рое не поме­ща­ет­ся в нуж­ную ячей­ку памя­ти. Он туда кла­дёт то, что поме­ща­ет­ся, и ста­вит в этот флаг циф­ру 1. Она — сиг­нал про­грам­ми­сту, что что-то пошло не так.

Фла­гов в про­цес­со­ре мно­го, какие-то мож­но менять вруч­ную, и они будут вли­ять на вычис­ле­ния, а какие-то мож­но про­сто смот­реть и делать выво­ды. Фла­ги — как сиг­наль­ные лам­пы на пане­ли при­бо­ров в само­лё­те. Они что-то озна­ча­ют, но толь­ко само­лёт и пилот зна­ют, что именно.

Сег­мент­ные реги­стры. Нуж­ны были для того, что­бы рабо­тать с опе­ра­тив­ной памя­тью и полу­чать доступ к любой ячей­ке. Сей­час такие реги­стры име­ют по 32 бита, и это­го доста­точ­но, что­бы полу­чить 4 гига­бай­та опе­ра­тив­ки. Для про­грам­мы на Ассем­бле­ре это­го обыч­но хватает.

Так вот: всё, с чем рабо­та­ет Ассем­блер, — это коман­ды про­цес­со­ра, пере­мен­ные и регистры.

Здесь нет при­выч­ных типов дан­ных — у нас есть толь­ко бай­ты памя­ти, в кото­рых мож­но хра­нить что угод­но. Даже если вы поме­сти­те в ячей­ку какой-то сим­вол, а потом захо­ти­те рабо­тать с ним как с чис­лом — у вас полу­чит­ся. А вме­сто при­выч­ных цик­лов мож­но про­сто прыг­нуть в нуж­ное место кода.

Команды Ассемблера

Каж­дая коман­да Ассем­бле­ра — это коман­да для про­цес­со­ра. Не опе­ра­ци­он­ной систе­ме, не фай­ло­вой систе­ме, а имен­но про­цес­со­ру — то есть в самый низ­кий уро­вень, до кото­ро­го может дотя­нуть­ся программист.

Любая коман­да на этом язы­ке выгля­дит так:

Мет­ка — это имя для фраг­мен­та кода. Напри­мер, вы хоти­те отдель­но поме­тить место, где начи­на­ет­ся рабо­та с жёст­ким дис­ком, что­бы было лег­че читать код. Ещё мет­ка нуж­на, что­бы в дру­гом участ­ке про­грам­мы мож­но было напи­сать её имя и сра­зу пере­прыг­нуть к нуж­но­му кус­ку кода.

Коман­да — слу­жеб­ное сло­во для про­цес­со­ра, кото­рое он дол­жен выпол­нить. Спе­ци­аль­ные ком­пи­ля­то­ры пере­во­дят такие коман­ды в машин­ный код. Это сде­ла­но для того, что­бы не запо­ми­нать сами машин­ные коман­ды, а исполь­зо­вать вме­сто них какие-то бук­вен­ные обо­зна­че­ния, кото­рые про­ще запом­нить. В этом, соб­ствен­но, и выра­жа­ет­ся чело­веч­ность Ассем­бле­ра: коман­ды в нём хотя бы отда­лён­но напо­ми­на­ют чело­ве­че­ские слова.

Опе­ран­ды отве­ча­ют за то, что имен­но будут делать коман­ды: какие ячей­ки брать для вычис­ле­ний, куда поме­щать резуль­тат и что сде­лать с ним допол­ни­тель­но. Опе­ран­дом могут быть назва­ния реги­стров, ячей­ки памя­ти или слу­жеб­ные части команд.

Ком­мен­та­рий — это про­сто пояс­не­ние к коду. Его мож­но писать на любом язы­ке, и на выпол­не­ние про­грам­мы он не вли­я­ет. При­ме­ры команд:

mov eax, ebx ; Пере­сы­ла­ем зна­че­ние реги­стра EBX в регистр EAX

mov x, 0 ; Запи­сы­ва­ем в пере­мен­ную x зна­че­ние 0

add eax, х ; Скла­ды­ва­ем зна­че­ние реги­стра ЕАХ и пере­мен­ной х, резуль­тат отпра­вит­ся в регистр ЕАХ

Здесь нет меток, пер­вы­ми идут коман­ды (mov или add), а за ними — опе­ран­ды и комментарии.

Пример: возвести число в куб

Если нам пона­до­бит­ся вычис­лить х³, где х зани­ма­ет ров­но один байт, то на Ассем­бле­ре это будет выгля­деть так.

Пер­вый вариант

mov al, x ; Пере­сы­ла­ем x в регистр AL

imul al ; Умно­жа­ем регистр AL на себя, AX = x * x

movsx bx, x ; Пере­сы­ла­ем x в регистр BX со зна­ко­вым расширением

imul bx ; Умно­жа­ем AX на BX. Резуль­тат раз­ме­стит­ся в DX:AX

Вто­рой вариант

mov al, x ; Пере­сы­ла­ем x в регистр AL

imul al ; Умно­жа­ем регистр AL на себя, AX = x * x

cwde ; Рас­ши­ря­ем AX до EAX

movsx ebx, x ; Пере­сы­ла­ем x в регистр EBX со зна­ко­вым расширением

imul ebx ; Умно­жа­ем EAX на EBX. Посколь­ку x – 1-байтовая пере­мен­ная, резуль­тат бла­го­по­луч­но поме­ща­ет­ся в EAX

На любом высо­ко­уров­не­вом язы­ке воз­ве­сти чис­ло в куб мож­но одной стро­кой. Например:

x = Math.pow(x,3);
x := exp(ln(x) * 3);
на худой конец x = x*x*x.

Хит­рость в том, что когда каж­дая из этих строк будет све­де­на к машин­но­му коду, это­го кода может быть и 5 команд, и 10, и 50, и даже 100. Чего сто­ит вызов объ­ек­та Math и его мето­да pow: толь­ко на эту слу­жеб­ную опе­ра­цию (ещё до само­го воз­ве­де­ния в куб) может уйти несколь­ко сотен и даже тысяч машин­ных команд.

А на Ассем­бле­ре это гаран­ти­ро­ван­но пять команд. Ну, или как реализуете.

Почему это круто

Ассем­блер поз­во­ля­ет рабо­тать с про­цес­со­ром и памя­тью напря­мую — и делать это очень быст­ро. Дело в том, что в Ассем­бле­ре почти не тра­тит­ся зря про­цес­сор­ное вре­мя. Если про­цес­сор рабо­та­ет на часто­те 3 гига­гер­ца — а это при­мер­но 3 мил­ли­ар­да про­цес­сор­ных команд в секун­ду, — то очень хоро­ший код на Ассем­бле­ре будет выпол­нять при­мер­но 2,5 мил­ли­ар­да команд в секун­ду. Для срав­не­ния, JavaScript или Python выпол­нят в тыся­чу раз мень­ше команд за то же время.

Ещё про­грам­мы на Ассем­бле­ре зани­ма­ют очень мало места в памя­ти. Имен­но поэто­му на этом язы­ке пишут драй­ве­ры, кото­рые встра­и­ва­ют пря­мо в устрой­ства, или управ­ля­ю­щие про­грам­мы, кото­рые зани­ма­ют несколь­ко кило­байт. Напри­мер, про­грам­ма, кото­рая нахо­дит­ся в бре­ло­ке сиг­на­ли­за­ции и управ­ля­ет без­опас­но­стью всей маши­ны, зани­ма­ет все­го пару десят­ков кило­байт. А всё пото­му, что она напи­са­на для кон­крет­но­го про­цес­со­ра и исполь­зу­ет его воз­мож­но­сти на сто процентов.

Спра­вед­ли­во­сти ради отме­тим, что совре­мен­ные ком­пи­ля­то­ры С++ дают машин­ный код, близ­кий по быст­ро­дей­ствию к Ассем­бле­ру, но всё рав­но немно­го усту­па­ют ему.

Почему это сложно

Для того, что­бы писать про­грам­мы на Ассем­бле­ре, нуж­но очень любить кремний:

Теперь добавь­те к это­му отсут­ствие боль­шин­ства при­выч­ных биб­лио­тек для рабо­ты с чем угод­но, слож­ность чте­ния тек­ста про­грам­мы, мед­лен­ную ско­рость раз­ра­бот­ки — и вы полу­чи­те пол­ное пред­став­ле­ние о про­грам­ми­ро­ва­нии на Ассемблере.

Для чего всё это

Ассем­блер неза­ме­ним в таких вещах:

На самом деле на Ассем­бле­ре мож­но даже запи­лить свой сайт с фору­мом, если у про­грам­ми­ста хва­та­ет ква­ли­фи­ка­ции. Но чаще все­го Ассем­блер исполь­зу­ют там, где даже ско­ро­сти и воз­мож­но­стей C++ недостаточно.

Источник

Машинные языки, языки ассемблера и языки высокого уровня

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Для работы с микроконтроллерами сегодня адаптировано множество традиционных языков программирования и их вариантов. Тем не менее основным языком для профессионального программирования микроконтроллеров является С или С++.

Основной задачей курса является изучение применяемого на сегодняшний день повсеместно объектно-ориентированного подхода при проектировании и разработке приложений с использованием языка С++, а также изучение методов программирования программ под ОС Microsoft Windows.

Инструментальное программное обеспечение

Инструментальное программное обеспечение обеспечивает создание новых программных продуктов для ПК. Инструментальное программное обеспечение представлено языками и системами программирования.

Язык программирования – формальная знаковая система, предназначенная для описания алгоритмов в форме, которая удобна для исполнителя (например, компьютера).

Составными частями языка программирования являются:

алфавит – конечный набор элементарных символов, разрешенных для использования;

синтаксис – набор правил образования языковых конструкций и символов алфавита;

семантика – набор правил однозначного толкования языковых конструкций.

Система программирования – это система разработки программного обеспечения на каком-либо языке программирования, включающая в себя следующие компоненты:

интегрированную среду программирования;

редактор текстов программ,

Интегрированная среда программирования (от англ. Integrated Development Environment, IDE) – это программа, имеющая встроенный редактор текстов, подсистему работы с файлами, транслятор, встроенный отладчик, справочную систему, некоторые библиотеки функций. Многие современные среды разработки также включают браузер классов, инспектор объектов и диаграмму иерархии классов — для использования при объектно-ориентированной разработке программного обеспечения.

Транслятор – программа, которая преобразует команды программ, написанных на языках высокого уровня, в команды, записанные в машинных кодах, использующих двоичный алфавит (в последовательность чисел понятную ПК). Трансляторы бывают двух видов: интерпретаторы и компиляторы. Оба вида трансляторов выполняют одну и туже операцию, но делают это по-разному.

Интерпретаторы, преобразуя команду на машинный язык, сразу же дают указания на ее выполнение, не записывая перевод. Так происходят с каждой командой программы. Программа будет выполнена машиной только при наличие интерпретатора, который от строки к строке переводит команды и сразу же их выполняет. При повторном выполнении программы снова выполняется перевод.

Компилятор же не выполняет команды, а просто переводит всю программу на машинный язык и записывает свой перевод в специальную, так называемую, исполнимую программу, программу, записанную в двоичном коде.

В простейшем случае интерпретатор читает исходный текст программы по одной строке за раз, выполняет эту строку и только после этого переходит к следующей. Компилятор читает сразу всю программу и конвертирует ее в объектный код (машинный двоичный код). Когда программа скомпилирована, в ее коде уже нет отдельных строк исходного кода.

Машинные языки, языки ассемблера и языки высокого уровня

На сегодня существуют сотни языков программирования. Их можно разделить на три основных типа:

– языки высокого уровня

Любой компьютер может непосредственно понимать лишь свой собственный машинный язык. Он определяется при проектировании аппаратных средств этого компьютера. Машинные языки в общем случае содержат строки чисел (в конечном счете сокращенные до единиц и нулей), которые являются командами компьютеру на выполнение большинства элементарных операций. Машинные языки машинно-зависимы, т.е. каждый машинный язык может быть использован только на компьютере определенного типа.

Ассемблер – средство, упрощающее написание программ путем написания машинных кодов в некоторых мнемонических обозначениях с последующим автоматическим переводом. Для преобразования программ на языке ассемблера в машинный язык были разработаны программы трансляции, называемые ассемблерами. Дальнейшее развитие привело к созданию первых языков программирования высокого уровня, в которых длинные и сложные последовательности машинных кодов были заменены одним обозначающих их словом – оператором.

Язык С является базисным для языка программирования С++. Поэтому кратко остановимся на предыстории этого языка.

Язык программирования С был разработан в лабораториях Bell Laboratories в США в период с 1969 по 1973 год Кеном Томпсоном и Деннисом Ритчи (практически в одно время с Паскалем) для организации операционной системы UNIX. Предшественниками языка С явились языки Algol 60, CPL, BCPL и B.

Для выполнения этой работы Ритчи нуждался в таком языке программирования, который был бы кратким, а так же мог бы обеспечивать эффективное управление аппаратными средствами и создание компактных, быстро работающих программ. Традиционно такие потребности программистов удовлетворял язык ассемблера, который тесно связан с внутренним машинным языком компьютера. Однако язык ассемблера – это язык низкого уровня, т.е. он привязан к определённому типу компьютера. Поэтому, если программу на языке ассемблера необходимо перенести на компьютер другого типа, то её приходится переписывать заново на другом языке ассемблера. Операционная система UNIX предназначалась для работы на разнообразных типах компьютеров (или платформах). А это предполагало использование языка высокого уровня, который ориентирован на решение задач, а не на конкретное программное обеспечение. Это обеспечивается использованием специальных программ (компиляторов), которые переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык. Поэтому программу на языке высокого уровня можно использовать на разных платформах, применяя соответствующий компилятор.

Рисунок 1 – Схема развития языка программирования С++

Денис Ритчи создал независимость языка от конкретного оборудования и сохранил возможность прямого доступа к оборудованию. Денис Ритчи был признанным специалистом в области системного программирования, а именно языков программирования, операционных систем, и генераторов программ. Язык С представляет собой язык программирования относительно низкого уровня, что позволяло контролировать каждую мелочь в работе алгоритма и достигать максимальной эффективности. В то же время в С заложены принципы языка высокого уровня, что позволяет избежать зависимости программ от особенностей архитектуры конкретного компьютера. Это повышало эффективность процесса программирования.

Язык программирования С – стандартизованный процедурный язык программирования, обеспечивающий структурный стиль программирования.

Особенность языка С заключается в том, что будучи языком высокого уровня, он сохранил многие черты языка низкого уровня. Язык С расположен где-то между языками очень высокого уровня и языками низкого уровня, и в этом его сильные и одновременно слабые стороны. Как и язык ассемблера (язык низкого уровня), язык программирования С может непосредственно управлять памятью компьютера. С другой стороны, С обладает чертами языков высокого уровня, поэтому программы на языке С читать и создавать легче, чем программы на языке ассемблера. Язык С является очень удобным для написания системных программ, но в программах на языке С для иных целей зачастую трудней разобраться, нежели в программах, написанных на других языках.

Чтобы преодолеть эти и другие недостатки языка С был разработан на его основе язык программирования С++ сотрудником научно-исследовательского центра AT&T Bell Laboratories (Нью-Джерси, США) Бьярном Страуструпом в 1979 году. Первоначальное название «С++ с классами» было изменено на С++ в 1983 году. С++ обеспечивает возможность ООП

Существует множество различных реализаций для С++. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Наибольшей популярностью пользуются реализации этого языка фирм Borland – Turbo C++, C++ Builder и Microsoft – Visual C++, а также Symantec – Symantec C++.

С++ обеспечивает концептуальный фундамент, на который опираются другие языки программирования и многие современные средства обработки данных. Потомками С++ стали такие почитаемые языки, как С# (С Sharp от Microsoft) и Java (от Sun Microsystems), используемые для написания web-приложений. C-подобный синтаксис имеют также языки PHP, Java Script, Nemerle, D.

Источник

Поделиться с друзьями
admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Как переводится?
Adblock
detector