Язык ассемблера

Листинг программы на языке ассемблера Motorola MC6800 (слева идут адреса и машинные коды в шестнадцатеричной системе, вычисленные и сгенерированные ассемблером из исходного кода программы, справа показан сам текст программы с мнемоническими инструкциями, метками, директивами, выражениями и комментариями)

Язык ассе́мблера (англ. assembly language) — машинно-ориентированный язык низкого уровня с командами, обычно соответствующими командам машины, который может обеспечить дополнительные возможности вроде макрокоманд^[1]; автокод, расширенный конструкциями языков программирования высокого уровня, такими как выражения, макрокоманды, средства обеспечения модульности программ^[2]. Автокод — язык программирования, предложения которого по своей структуре в основном подобны командам и обрабатываемым данным конкретного машинного языка.^[2]

Язык ассемблера — система обозначений, используемая для представления в удобочитаемой 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.

Достоинства и недостатки

Достоинства

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

Недостатки

• В силу машинной ориентации («низкого» уровня) языка ассемблера человеку сложнее читать и понимать программу на нём по сравнению с языками программирования высокого уровня; программа состоит из слишком «мелких» элементов — машинных команд, соответственно, 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, обыкновенно оказывается не лучше или даже хуже кода, порождаемого оптимизирующим компилятором для сравнимых программ, написанных на языке высокого уровня.^[5]
• 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, целиком написаны на языке ассемблера. При этом MenuetOS помещается на дискету и содержит графический многооконный интерфейс.
• Программирование микроконтроллеров (МК) и других встраиваемых процессоров. По мнению профессора Таненбаума, развитие МК повторяет историческое развитие компьютеров новейшего времени.^[9] На сегодняшний день 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. Некоторые части 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 высокого 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 давно на языке ассемблера часто кодируют только фрагменты программ, их необходимо связывать с остальными частями программной системы, написанными на других языках программирования. Это достигается двумя основными способами:

• На этапе компиляции — вставка в исходный код программы на языке высокого уровня ассемблерных фрагментов (англ. inline assembler) с помощью специальных директив языка. 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 компиляции. Для взаимодействия компонуемых модулей достаточно, чтобы импортируемые функции (определённые в одних модулях и используемые в других) поддерживали определённое соглашения вызова (англ. calling conventions). Написаны же отдельные модули могут быть на любых 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
• Команды ввода/вывода в порты (in, out)
• Для микроконтроллеров и микрокомпьютеров характерны также команды, выполняющие проверку и переход по условию, например:

• cjne — перейти, если не равно
• djnz — декрементировать, и если результат ненулевой, то перейти
• cfsneq — сравнить, и если не равно, пропустить следующую команду

Инструкции

Типичный формат записи команд:

[метка:] мнемокод [операнды] [;комментарий]

где мнемокод — 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 — 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 8080, 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 — 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) — 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 название 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

1. ↑ СТ ИСО 2382/7-77 // Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X
2. ↑ ^{1 2} ГОСТ 19781-83 // Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X
3. ↑ Толковый словарь по вычислительным системам = Dictionary of Computing / Под ред. В. Иллингуорта и др.: Пер. с англ. А. К. Белоцкого и др.; Под ред. Е. К. Масловского. — М.: Машиностроение, 1990. — 560 с. — 70 000 (доп,) экз. — ISBN 5-217-00617-X (СССР), ISBN 0-19-853913-4 (Великобритания)
4. ↑ Крис Касперски. Образ мышления IDA. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
5. ↑ Крис Касперски. Война миров: Ассемблер против Cи. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 1 июня 2010.
6. ↑ Например, доступ к данным, невыровненным на границу 32-битных слов в архитектуре IA-32, требует дополнительного времени. Также, в архитектуре Intel P6 появились два конвейера, и, чтобы они не простаивали (англ. Pipeline stall), может потребоваться переупорядочивание инструкций (англ.)
7. ↑ Кирилл Кочетков. MP3-кодек LAME — продолжаем исследования. iXBT (28 ноября 2003). Архивировано из первоисточника 28 мая 2012. Проверено 1 июня 2010.
8. ↑ Serj Kalichev. Основы написания переносимого кода. — Оригинал статьи: Martin Husemann. Fighting the Lemmings. Архивировано из первоисточника 28 мая 2012. Проверено 1 июня 2010.
9. ↑ Эндрю Таненбаум. Архитектура компьютера. 5-е изд.
10. ↑ Эндрю Таненбаум. Архитектура компьютера. 3-е изд.

Литература

	Язык ассемблера в Викиучебнике?

• 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

Ссылки

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