Что это такое
Ассемблер — это язык программирования низкого уровня, созданный для обозначения команд, выполняемых процессором компьютера. Assembly Language позволяет программистам взаимодействовать с аппаратным обеспечением напрямую, минуя операционную систему. В статье рассмотрим, из чего состоит ASM, где он используется и какие у него есть подводные камни.
Зачем и кому он нужен
Язык ассемблера появился в начале 1950-х годов для первых электронно- вычислительных машин (ЭВМ). Основная цель создания заключалась в необходимости упростить программирование машинного кода, перевести двоичную систему на доступный для понимания человека язык. Преобразовать нули, единицы в буквы, сокращенные слова. Assembly language стал посредником между высокоуровневыми языками программирования и машинным языком, который понимает процессор компьютера.
Процессор — главная часть аппаратного обеспечения компьютера, которая исполняет заданные программы. Он обрабатывает информацию, используя двоичный код (бинарный), где цифра «0» означает низкий логический уровень напряжения, «1» — высокий.
Каждый процессор обладает набором определенных качеств, свойств — архитектурой. Архитектура состоит из регистров, памяти, инструкции исполнения команд, настройках коммуникации. Она влияет на структуру процессора, возможности, метод работы.
Процессоры с одинаковым набором характеристик объединяют в семейства. Одну программу можно написать для одного семейства. Например, язык, разработанный для архитектуры процессора x86 совместим с любой x86-системой, но не будет пригодным для ARM. Для каждого семейства нужен свой ассемблер, отсюда программу называют машинно-ориентированной.
Существует множество языков ассемблера, которые предназначены под разные архитектуры, аппаратные платформы. Например:
- x86 для компьютеров
- ARM для мобильных телефонов, плееров, игровых приставок, калькуляторов, жестких дисков
- MIPS для смартфонов, планшетов, встроенных систем, академического пользования
Assembler применяют для узкоспециализированных задач, когда важна быстрая производительность, необходимо прямое взаимодействие с аппаратным обеспечением.
Его используют, чтобы:
- Разрабатывать драйвера, операционную систему.
- Писать программы для игровых консолей.
- Оптимизировать важные для производительности участки кода.
- Программировать микроконтроллеры, которые встречаются в бытовой технике, автомобильной электронике, сигнализации, пульте управления. Эти системы обладают ограниченной вычислительной мощностью, памятью. Ассемблер лучше всего подходит, поскольку каждое действие переводится в одну команду в двоичном коде. Благодаря этому можно узнать объем памяти, время исполнения программы.
- Заниматься обратной разработкой (reverse-engineering). Реверс-инженер исследует алгоритмы программ для понимания принципа работы, когда исходный код по какой-либо причине отсутствует. Обратной разработкой часто пользуются хакеры для написания вирусов, взлома, вредоносных программ, поиска слабых мест.
- Создавать антивирусные программы, защиту от взлома.
Источник: ru.freepik.com
Подводные камни
Ассемблерный код полезен, когда нужно написать высокопроизводительную программу для конкретного устройства. Язык требует глубокого понимания работы систем, процессоров, памяти программ.
- Assembler переносится только на семейные платформы. Для каждой архитектуры нужен свой язык.
- В ассемблере отсутствуют высокоуровневые абстракции. Это усложняет процесс написания сложных программ. Для понимания ассемблера необходимо обладать базой знаний. Необходимо выучить машинный код для взаимодействия с процессором. Языки высокого уровня (Python, Java) учить легче.
- Уходит больше времени на разработку. Необходимо писать объемные коды, выполнять много мелких задач, что делает работу монотонной.
- Трудно находить вирусы, ошибки.
Как устроен
Ассемблер — набор инструкций, которые выполняются процессором компьютера. Процесс перевода языка ассемблера в машинный называют «ассемблированием». Каждая команда ассемблера соответствует определенной машинной инструкции и содержит опкод (операционный код), операнды (данные, с которыми выполняется операция).
Команды бывают:
- Арифметические. Взаимодействуют с дынными: ADD, SUB, MUL
- Логические. Строят операции с данными: AND, OR, XOR
- Перемещения. Переносят данные между регистрами, ячейками памяти: MOV, PUSH, POP
Синтаксис команды: [<метка>:] <мнемокод> [<операнды>] [;<комментарий>]
Процессор извлекает информацию для вычислений из операндов, туда же загружает результат. Операнды также включают понятия: регистры, константы, адреса. Адресами служат ячейки оперативной, либо внутренней памяти (регистры). Работу с регистрами процессор выполняет гораздо быстрее, чем с ячейками оперативной памяти.
ASM использует не цифровые операция, а мнемокоды (мнемонические). Их проще запомнить. Мнемокоды представляют короткие символы, которые несут определенную функцию, выглядят следующим образом:
- ADD (addition) — сложение
- SUB (subtraction) - вычитание
- MUL (multiplication) — умножение
- MOV (move) — переместить
- JMP (jump unconditionally) — перейти безусловно
Регистры и ячейки памяти записываются так:
- EAX, EBX, AX, AH — регистры
- mem1 — ячейка
Директивы в ассемблер используются для управления компилятором (осуществляет перевод текста в машинный код). Они предоставляют дополнительную информацию, указывают на особенности обработки кода. Письменно обозначаются знаком «решетка» (#) или точкой. Например:
- DB (define byte) переводится как «определить байт». Директива указывает компилятору, что следующие данные будут иметь размер: 1 байт.
- DW (define word) — команда определяет слово размером в 2 байта.
- DD (define double word) — определяет двойное слово — переменную размером в 4 байта.
- DQ (define quad word) — определяет 4 последовательно расположенных слова, размером в 8 байт .
- DT (define ten bytes) — определяет переменную размером в 10 байт.
Синтаксис директив определения данных: <имя> DB <операнд> [, <операнд>]
- SECTION — определяет раздел программы, который содержит данные вместе.
- EQU позволяет назначать имена переменных, констант. Особенность этой директивы заключается в том, что символические имена не должны повторяться.
- ORG устанавливает начальный адрес данных.
- END — дает приказ ассемблеру о прекращении ассемблирования после завершения написания физического кода программы.
Как пользоваться ассемблером
Пошаговое руководство использования ассемблера:
- Ознакомьтесь с основными понятиями: на чем строится программа, как написана, базовые конструкции (регистры, директивы, команды).
- Изучите архитектуру процессора, для которого будет написан код.
- Установите подходящий ассемблер. Например, NASM для архитектуры x86.
- Установите по необходимости дополнительные инструменты. Например, компилятор.
- Начните работу с кодом. Создайте файл исходного кода. Определите разделы, метки.
- Используйте соответствующие инструкции, директивы для определения операций, данных, управления программой.
- Изучите различные инструкции процессора, их назначение. Начните с основных команд.
- Используйте отладчик для проверки кода, если это необходимо.
- Сохраните файл с исходным кодом.
- Проверьте результат сборки на ошибки.
- Запустите программу.
- Протестируйте результат.
- Проанализируйте работу с целью поиска сильных, слабых сторон.
Экспериментируйте с разными подходами, чтобы найти лучшее решение для поставленных задач. Консультируйтесь с более опытными разработчиками при возникновении трудностей, читайте специализированную литературу.
Источник: ru.freepik.com
Какие перспективы
Знание ассемблера может пригодиться при работе с языками высокого уровня. Ассемблер помогает понять внутренние процессы компьютера. Он позволяет увидеть причины проблем, обнаружить решение.
Язык ассемблера важно знать следующим востребованным профессионалам:
- Реверс-инженерам
- Вирусным аналитикам
- Разработчикам драйверов, программ для микроконтроллеров
- Системным программистам
- Экспертам по компьютерной безопасности
Главное, что нужно знать
- Ассемблер предоставляет прямой доступ к аппаратным ресурсам компьютерной системы, что позволяет разработчикам наиболее точно управлять процессами.
- Благодаря языку анализируют двоичный код, создают вирусы, антивирусы, оптимизирует важные для производительности участки кода.
- В ASM нет высоких абстракций, что вызывает трудности при изучении. Он требует глубокого погружения в особенности архитектуры процессора, что занимает много времени.
- Незаменим в случаях, когда важна максимальная производительность. Ассемблер быстрее других языков создает машинный код.
