Что такое язык ассемблера?

В мире программирования существует множество языков, каждый из которых имеет свои особенности и предназначение. Среди них язык ассемблера занимает особое место. Этот язык тесно связан с тем, как всё устроено, и знание его может помочь лучше понять, как работают компьютеры.  В этой статье мы узнаем, что это за язык, как он работает, и почему, несмотря на свою сложность и узкую специализацию, он до сих пор важен в некоторых областях программирования. 

Если вы хотите сделать первые шаги в программировании, то советуем начинать с изучения самых основных языков — Python и Java. Сделать это можно на онлайн-курсах: «Python-разработчик» от Bang Bang Education или «Профессия Java-разработчик с гарантией трудоустройства» от ProductStar.

Что такое язык ассемблера?

Язык ассемблера — это низкоуровневый программный язык, который находится на одну ступеньку выше машинного кода, являющегося набором инструкций, понимаемых компьютером напрямую. В отличие от высокоуровневых языков программирования вроде Python или Java, ассемблер тесно связан с архитектурой конкретного ПО и программы.

Каждая команда в языке ассемблера соответствует одной машинной инструкции. Это позволяет программистам писать программы, которые максимально эффективно используют аппаратные ресурсы, но в то же время требует глубокого понимания работы на низком уровне программ компьютера.

История создания языка ассемблера

Язык ассемблера появился в начале 1950-х годов как ответ на потребность упростить программирование. В те времена специалисты использовали машинный код, который представлял собой последовательность чисел. Это было очень трудоёмко и подвержено ошибкам, потому что машинный код был сложен для понимания и запоминания.

Чтобы упростить этот процесс, был создан язык ассемблера. Он позволял программистам использовать словесные команды вместо чисел. Эти команды, называемые мнемониками, затем преобразовывались в машинный код с помощью специальной программы — ассемблера. Например, вместо того чтобы писать числовой код для команды сложения, специалисты могли просто написать «ADD».

Первым ассемблером был создан в 1951 году для UNIVAC I. Его разработал программист Нэтаниэль Рочестер из IBM для IBM 701. Этот шаг существенно упростил процесс программирования и открыл дорогу к развитию более сложных и мощных программ.

Со временем язык ассемблера стал более универсальным и мощным, позволяя программистам более эффективно управлять аппаратным ПО. Однако с развитием языков его использование сократилось, хотя он по-прежнему используется для специфических задач, где важна максимальная производительность или прямой контроль над аппаратным обеспечением.

Как устроен язык ассемблера?

Assembler устроен довольно уникальным образом, потому что он очень тесно связан с конкретным типом оборудования. В отличие от более языков программирования, которые скрывают многие аппаратные детали, ассемблер позволяет программистам работать непосредственно с этими деталями заниматься их управлением.

Как устроен синтаксис? Основная единица в синтаксисе ассемблере — это инструкция. Каждая инструкция представляет собой команду для выполнения определённого действия, например, сложения чисел или перемещения данных между разными частями. Эти инструкции написаны с использованием мнемонических кодов, то есть коротких слов или аббревиатур, которые легче понять и запомнить, чем соответствующие им числовые коды машинного языка.

Примеры таких мнемоник: операции «ADD» для сложения, «SUB» для вычитания, «MOV» для перемещения данных. Каждой мнемонике соответствует определённый набор битов. Например, «ADD» может означать, что компьютер должен взять два числа из указанных мест, сложить их и сохранить результат в определённом месте.

Ассемблер также позволяет управлять памятью непосредственно. Программист может указать, откуда брать данные и куда их поместить. Это даёт большой контроль над тем, как программа работает с ресурсами, но также требует от программиста глубоких знаний о том, как всё устроено. Кроме инструкций, в языке ассемблера используются различные директивы и макросы. Директивы говорят ассемблеру, как обрабатывать части кода, а макросы позволяют создавать удобные шаблоны для часто повторяющихся операций.

В целом, язык ассемблера предоставляет мощные, но сложные для понимания инструменты, которые позволяют программистам максимально эффективно использовать аппаратные возможности.

Команды ассемблера

Ассемблер работает с очень базовыми командами, которые говорят, что именно ему делать. Эти команды можно представить как простые инструкции, которые очень близки к машинному языку, то есть языку, который понимает процессор.

Давайте рассмотрим несколько примеров типичных команд ассемблера:

• MOV. Это первая команда для перемещения данных из одного места компилятора в другое. Например, она может сказать системе переместить число из одной ячейки памяти в другую.

• ADD и SUB. Эти команды используются для сложения (ADD) и вычитания (SUB) чисел. Они могут сказать процессору, например, взять два числа, сложить их и сохранить результат в определённом месте.

• JMP. Это команда в строке перехода, которая говорит системе «прыгнуть» к другой части программы. Это используется для создания циклов работы или для принятия решений (если одно, то делай это, иначе переходи туда).

• CMP. Команда процедуры сравнения. Она используется для сравнения двух значений и определения, равны они или одно больше другого.

• CALL и RET. Эта функция CALL используется для вызова другой части программы ил адреса (например, подпрограммы), а RET — для возвращения из неё.

Эти команды очень простые по сравнению с тем, что можно увидеть в языках программирования, но именно из таких базовых команд и строится вся программа. При программировании на ассемблере нужно думать на уровне этих базовых операций, что требует глубокого понимания того, как всё работает. Это делает работу ассемблера сложным для понимания, но он даёт программисту максимальный контроль над тем, что делает система. 

Почему для разных семейств процессоров нужен свой ассемблер?

Для разных семейств процессоров нужен свой ассемблер потому, что каждое семейство процессоров имеет свой уникальный набор инструкций, или «язык», который оно понимает. Это как если бы люди из разных стран говорили на разных языках: чтобы общаться с ними, нужно знать их язык.

Процессоры различаются по своей архитектуре, то есть по тому, как они устроены и как обрабатывают информацию. Каждая архитектура имеет свои особенности, включая специфические команды и способы обработки данных. Например, один процессор может иметь команду, которая делает определённую задачу одним способом, в то время как другой процессор для той же задачи может использовать совершенно другую команду.

Язык ассемблера, написанный для одного семейства процессоров, не будет понятен другому, потому что он использует команды и правила, специфичные для данного семейства. Это как если бы вы пытались использовать французские слова в английском предложении: они просто не будут иметь смысла в этом контексте.

Плюсы и минусы языка ассемблера

Язык ассемблера имеет свои плюсы и минусы, которые делают его уникальным среди языков программирования.

Плюсы ассемблера

• Высокая эффективность и производительность. Поскольку ассемблер работает очень близко к аппаратному обеспечению, программы, написанные на нём, могут быть очень быстрыми и эффективными.

• Полный контроль над ресурсами и памятью. Ассемблер позволяет программисту точно управлять тем, как используются процессор и регистры памяти, что может быть критически важно для некоторых приложений.

• Важен для понимания работы и управления. Изучение регистров ассемблера может дать глубокое понимание того, как работают компьютеры на самом низком уровне.

Минусы ассемблера

• Сложность и трудоёмкость. Программирование на ассемблере сложно и требует внимания к множеству деталей и памяти. Это делает процесс разработки длительным и подверженным ошибкам.

• Зависимость от аппаратной платформы и памяти. Код, написанный на регистре ассемблере для одного типа процессора, обычно не работает на другом, что ограничивает его переносимость.

• Ограниченное применение регистра. В современной разработке программного обеспечения ассемблер используется редко, поскольку существуют более высокоуровневые языки, которые проще в использовании и более подходят для большинства задач.

• Отсутствие удобных инструментов в регистре. По сравнению с высокоуровневыми языками, для ассемблера существует меньше средств разработки, таких как библиотеки, файлы, фреймворки и интегрированные среды программ разработки.

Кому и зачем нужен язык ассемблера?

Язык ассемблера нужен определённым специалистам, особенно тем, кто работает непосредственно с аппаратным обеспечением или разрабатывает программное обеспечение, требующее высокой производительности и эффективности. Подобрали несколько примеров:

• Инженеры и разработчики системного программного обеспечения. Они используют ассемблер для создания операционных систем, драйверов устройств и другого программного обеспечения, которое работает непосредственно с аппаратным обеспечением. Подробнее об этой профессии рассказывают на курсе «Сетевой инженер» от Нетологии.

• Специалисты по встроенным системам. В маломощных или специализированных устройствах, таких как микроконтроллеры в бытовой технике, часто используется ассемблер, чтобы максимально эффективно использовать ограниченные ресурсы программы.

• Программисты, работающие над оптимизацией производительности разных процедур и памяти. Иногда для достижения максимальной производительности в критических приложениях, таких как игры или специализированное программное обеспечение, специалисты могут использовать ассемблер для оптимизации определённых участков кода.

• Исследователи в области информационной безопасности. Они могут использовать ассемблер для анализа операнда вредоносного программного обеспечения или для разработки техник защиты, поскольку вредоносные программы часто написаны на ассемблере. Больше про это можно узнать на курсе с сайта tutortop «Профессия: Инженер информационной безопасности с гарантией трудоустройства» от ProductStar.

• Образовательные цели. Регистры ассемблера иногда используется в образовательных целях, чтобы научить студентов пониманию того, как работает компьютер на самом низком уровне.

Язык ассемблера нужен тем, кому важно иметь полный контроль над тем, что делает компьютер, и кто хочет максимально эффективно использовать его аппаратные ресурсы. Однако для большинства современных приложений он не используется из-за его сложности и ограничений в сравнении с высокоуровневыми языками программирования.

Востребованы ли программисты на ассемблере сегодня?

Сегодня спрос на программистов, владеющих ассемблером, довольно ограничен, но всё же существует. Ассемблер — это очень специализированный язык программирования, который используется в узких и конкретных областях, где требуется прямое взаимодействие с аппаратным обеспечением или высокая производительность. Эти области использования включают разработку низкоуровневого программного обеспечения, такого как операционные системы, драйверы устройств, встроенные системы в медицинской технике, автомобильной промышленности и промышленных контрольных системах высокого уровня.

Также специалисты на ассемблере могут быть востребованы в сфере кибербезопасности, например, для анализа вредоносного программного обеспечения или разработки антивирусного ПО. В игровой индустрии, особенно в разработке игр для старых или очень специализированных платформ, также может понадобиться знание ассемблера.

Однако в целом, в современной программной индустрии гораздо больше востребованы навыки в высокоуровневых языках программирования, таких как Python, Java, C# и других. Эти языки более универсальны, проще в освоении и предлагают больше возможностей для разработки разнообразных приложений.

Стоит ли сейчас начинать изучение программирования с языка ассемблера?

Начать учить программирование с нуля с ассемблера сегодня, скорее всего, не лучшая идея для большинства начинающих. Этот язык довольно сложен, так как это низкоуровневый язык, требующий глубоких знаний о внутреннем устройстве. Такая сложность может отпугнуть новичков от программирования. 

К тому же, ассемблер используется в основном в специализированных и узких областях, в то время как большинство программ и приложений сегодня создаётся на более популярных и востребованных языках, например, на Python, Java или JavaScript. Эти языки гораздо проще в освоении, так как они более интуитивно понятны и не требуют глубоких знаний об аппаратном обеспечении. Кроме того, для языков доступно гораздо больше учебных ресурсов и файлов, а также активные сообщества, где начинающие могут найти поддержку и советы. 

Исходя из всего этого, для большинства новичков лучше начать изучение программирования с более простого и популярного высокоуровневого языка, что позволит более плавно войти в мир программирования и откроет больше возможностей для карьерного роста.