Что такое ассемблер для чайников

Попробуем разобраться с наводящим ужас на новичков, таким зловещим словом как «ассемблер». Выясним, для чего он нужен и стоит ли его изучать в 2022 году.

Содержание:
1. Что такое ассемблер?
2. Ассемблер и работа процессора
3. Команды ассемблера
4. Какие программы нельзя написать на ассемблере?
5. Почему это круто?
6. Почему это сложно?
7. Тогда для чего он нужен?
8. Стоит ли начинать изучать программирование с ассемблера в 2022 году?
9. Насколько легче учить другие языки, когда уже знаешь ассемблер?
10. Востребованы ли специалисты по программированию на ассемблере?

1. Что такое ассемблер?

Начнем с основ и разберемся с уровнями языков. Все языки программирования, а их в настоящее время создано довольно много, делятся на высокоуровневые и низкоуровневые. К первой категории относятся удобочитаемые, проблемно-ориентированные языки — простые для понимания людьми (как английский или русский).

На них легко разрабатывать и поддерживать любые приложения, сервисы, функционал для решения отдельных задач и т.д. К этой категории относятся большинство созданных ныне языков, например: C, Python, Pascal, Basic и другие.

Языки программирования низкого уровня делятся на две категории:

Машинный код

Это единственный язык, воспринимаемый компьютером. Записывается он при помощи двоичной системы исчисления, в виде строк из единиц  (1) и нулей (0). Когда такая последовательность цифр передается машине, она преобразует их в электрические сигналы, необходимые для ее запуска. Выглядит это так:

1011000111101

Его нелегко понять человеку , но он крайне информативен для машины.

Программы, написанные на таком языке выполняются компьютером очень быстро. Ведь инструкции идут напрямую в ЦП, и перевод программы не требуется. Но недостатки такого кода перевешивают его преимущества:

• Зависимость от машины. Поскольку внутреннее устройство компьютеров может отличаться — программа, написанная на одной машине, может не подойти для другой.
• Сложность программы. Программист, работающий на машинном языке, должен хорошо знать аппаратную структуру компьютера.
• Увеличивается риск возникновения ошибок.
• Крайне трудно, а порой и невозможно редактировать код.

Для того, чтобы разобраться с этой непростой историей человечество придумало другой, не менее важный язык.

Язык ассемблера

Наши с вами компьютеры — довольно капризные устройства, они не желают понимать человеческий язык, им подавай единицы и нули, регистры памяти и простые логические операции.

Следовательно, для того, чтобы любая программа была правильно воспринята и исполнена процессором, ей необходим translator — программа-переводчик, превращающая язык высокого уровня в низкоуровневый машинный код, называемая ассемблер.

Ассемблер — это общее название языков низкого уровня. Код все все равно придется писать человеку, но он уже гораздо ближе к принципам работы машины. Существует немало его вариантов, однако все они принципиально похожи и большинство из них использует одинаковый синтаксис. Поэтому, мы будем называть их общим словом «Ассемблер».

Языки ассемблера имеют следующие преимущества перед машинными языками:

1. Легче понять и использовать. Вместо числовых кодов — используются мнемоники — зарезервированные короткие слова, используемые для каждой низкоуровневой инструкции (например, Mov указывает на перемещение информации из одного места в другое, а Add применяется для добавления данных в определенную ячейку).
2. Легко найти и исправить ошибки.
3. Легче редактировать.

Но недостатки все же тоже имеются:

1. Зависимость от машины. Программы, написанные на языке ассемблера, разработаны для конкретной марки и модели используемого процессора и поэтому зависят от машины.
2. Требуется знание аппаратного обеспечения, программист должен знать характеристики и требования конкретной машины при написании программы. Вообщем для каждого машинного языка должен быть свой язык ассемблера.

2. Ассемблер и работа процессора

Ассемблер был создан в 1947 году Кэтлин Бут — британско-канадским ученым и инженером, первопроходцем в области информатики. Но по достоинству его оценили только в начале 70-х годов, когда он стал применяться в электронных калькуляторах с памятью, новшеством того времени. Сейчас без него не обойтись в программировании процессоров вычислительных машин.

Чтобы выяснить принцип работы ассемблера, проясним некоторые нюансы внутреннего устройства процессора.

Мы знаем, что процессор — это головной мозг машины, выполняющий сложные вычислительные операции. Однако, мало кто знает, что при их выполнении  появляются необходимость где-то хранить промежуточные и служебные данные. Именно для этих целей, в самом процессоре предусмотрены специальные ячейки памяти, называемые регистрами.

Они различаются по виду и назначению: одни нужны для хранения информации, другие контролируют состояние процессора, третьи прокладывают ему (процессору) курс и т. д. Они бывают:

• Регистры общего назначения. Их всего восемь и каждый из них хранит 4 байта каких-нибудь данных.
• Указатели команд. Регистры, хранящие в себе адрес каждой последующей команды, выполняемой процессором.
• Регистр флагов. Флаг — некое свойство процессора, применяемое для обозначения кода, в случаях когда его нужно пометить.
• Сегментные регистры нужны для работы с оперативной памятью.

Подводя предварительный итог, стоит отметить, что все с чем работает ассемблер, — это команды процессора, переменные и регистры.

3. Команды ассемблера

Все команды, написанные на ассемблере предназначены для центрального  процессора. Не для операционки и файловой системы, а именно для процессора — это самый, что ни на есть, нижайший уровень, до которого только способен добраться разработчик. Также можно напрямую обращаться к ячейкам памяти и к периферийным устройствам, посылая команды напрямик через их адаптер.

Кратко разберем синтаксис рассматриваемого языка и выясним, как на нем выглядит любая из команд:

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

Метка — это, своего рода, название для определенного фрагмента кода.

Скажем, если нам нужно пометить участок с которого мы хотим начать работать в следующий раз. Это аналог печально знаменитого Goto. Или текущий участок памяти, к которому мы захотим далее обратиться по данном метке.

Команда — специальное служебное слово или буквенное обозначение, переводимое компилятором в машинный код. Оно необходимо для лучшего восприятия сути прописанного функционала программистом.

Все это нужно для упрощения понимания ассемблера: для того, чтобы его команды хотя бы отдаленно напоминали человеческий язык.

Операнды отвечают за действия выполняемые командами. Например, какие из ячеек взять для вычислительных операций, в каких будет помещаться результат, а также за все дополнительные манипуляции осуществляемые с памятью.

Операндами могут стать имя регистра, любая ячейка памяти или служебная часть команды.

Ну а комментарии, как и в любом другом языке — обычное объяснение определенных участков кода, не влияющее на выполнение алгоритма программы.

Небольшой пример, где нам надо вычислить куб переменной х³, где х занимает ровно один байт. Вот как это будет выглядеть:

<strong>mov   al, x</strong> ; Пересылаем x в регистр AL

<strong>imul  al</strong> ; Умножаем регистр AL на себя, AX = x * x

<strong>movsx bx, x</strong> ; Пересылаем x в регистр BX со знаковым расширением

<strong>imul  bx</strong> ; Умножаем AX на BX. Результат разместится в DX:AX

4. Какие программы нельзя написать на ассемблере?

Если подумать, то таковых нет. Все, что возмож­но сотворить на ПК, мож­но создать и на ассем­бле­ре. Ведь ассем­блер — это ничто иное, как тек­сто­вое обозначение необработанного машин­ного языка, в который компилируются абсолютно все приложения, которые можно запустить на компь­юте­ре.

При большом желании можно разработать на нем даже веб-сайт, но чтобы такое сделать — надо абсолютным мазохис­том. Ведь ког­да ты что-то пишешь на языке ассем­бле­ра — появляются ненужные проб­лемы, а именно:

• Низ­кая про­дук­тивность, ведь все это можно безболезненно сделать на любом высокоуровневом язы­ке.
• Отсутствие какой-либо структуры, из-за этого крайне страдает читабельность кода.
• Необходимость писать много одиночных букв, что увеличивает в разы риск возникновения потен­циаль­ных багов.
• Безопасность не на высшем уровне.

Итак, да, на ассемблере можно теоретически написать все — но целесообразно ли это?

5. Почему это круто?

Итак, для чего вам может понадобиться знания ассем­блера:

1. Чтобы выяснить внутреннее устройство всех компь­ютер­ных прог­рамм в деталях, до самого низкого уровня.
2. Чтобы научиться делать прог­раммы для мик­рокон­трол­леров и адаптеров устройств.
3. Чтобы по­нять принципы создания и работу язы­ков высоко­го уров­ня.
4. Для создания своего собс­твен­ного ком­пилятора, опти­миза­тора, вир­туаль­ной машины, драйвера и т.д.
5. Для взло­ма, отла­дки или защиты компьютерных сис­тем на самом низ­ком уров­не, ведь большинство изъ­янов безопас­ности можно проанализировать и найти толь­ко на уров­не машин­ного кода.

Также используя ассемблер можно работать с ЦП и с памятью напрямую — при этом скорость обработки данных крайне высокая. Это потому, что процессорное время излишне не расходуется. В процессоре, работающем на частоте 3 гГц — ассемблером будет выполняться примерно 2,5 миллиарда команд в секунду. Это в тысячу раз больше, чем на том же Python и Javascript.

Ассемблерные программы не расходуют драгоценное место в памяти и именно по этой причине на нем пишут драйверы и управляющие программы, встраиваемые непосредственно в устройство.

Конечно, нельзя игнорировать тот факт, что современные компиляторы Си выдают машинный код практически не уступающий по скорости ассемблеру, но они все равно ему проигрывают.

6. Почему это сложно?

Чтобы кодить на ассемблере, нужно питаться железными бобами, иметь гранитное терпение, а еще:

• иметь полное понимание архитектуры процессора;
• хорошо разбираться в железе и особенностях работы процессорного взаимодействия;
• знать на зубок все команды, относящиеся именно к каждому конкретному типу процессора;
• побайтовый режим работы с данными (строки и массивы — это не про ассемблер, одинокие буквы — вот что вас ждет);
• иметь четкое понимание реализации нужной функциональности в ограниченных условиях.

А еще забудьте про привычные готовые библиотеки кода и наличие адекватных читабельных конструкций.

7. Тогда для чего он нужен?

Ассемблер необходим при разработке следующих вещей:

• драйверов;
• при программировании микроконтроллеров и процессоров;
• для быстрой разработки кусков операционных систем;
• антивирусов или вирусов.

Мы с вами уже говорили, что на языке ассемблера можно написать все что угодно, однако чаще всего его применяют там, где даже скорости и возможностей C++ недостаточно.

8. Стоит ли начинать изучать программирование с ассемблера в 2022 году?

В начале хотелось бы озвучить популярную крылатую фразу, которую довольно часто можно услышать в програмерской среде:

Хо­рошие прог­раммис­ты зна­ют ассем­блер, но поч­ти никог­да не пишут на нем.

Если вы выберете ассемблер в качестве первого языка, то каждый день при его изучении вас будет посещать мыс­ль о том, что вы занима­етесь какой-то непонятной ерундой. Хотя польза от этого есть, ведь вы узнаете немало полез­ной информации о тайной работе компьютера, которая впоследствии вам обязательно пригодится, даже в высокоуровневом программировании.

Од­нако советовать кому-либо начинать свой путь с ассемблера — я бы не стал. Очень велик риск потери интереса к обучению быс­трее, чем вы сможете дос­тичь жела­емо­го резуль­тата.

Конечно, в какой‑то момент, вам все равно придется с ним оз­накомить­ся, осо­бен­но при прог­рамми­ровании на Си, но начинать с ассем­бле­ра не сто­ит.

9. Насколько легче учить другие языки, когда уже знаешь ассемблер?

Язык ас­сем­блера абсолютно не похож на высокоуровневые язы­ки. Поэтому, расхожее мнение о том, что если знаешь один язык программирования, второй выучить очень легко — тут не работа­ет. Вывод: после изучения ассем­бле­ра, другие языки при­дет­ся осваивать почти с нуля.

Чем же он так отличается от других? Ну во-первых, перемен­ная тут— это прос­то определенная область памяти. Нет распространенных типов данных вроде int или char, нет мас­сивов, нет циклов, нет функций! Есть толь­ко память. При­чем, даже если ты чего-то сделаешь не так — прог­рамма скорее всего ском­пилиру­ется, но обру­шит­ся в ран­тай­ме, без каких-либо сооб­щений об ошиб­ке.

Поэтому начинать луч­ше с высокого уровня, например с Си. Изучив его, вам уже лег­че перенести свои знания на любой дру­гой язык, будь то Java, Python или какой‑то еще, да и с ассем­бле­ром лег­че разоб­рать­ся.

10. Востребованы ли специалисты по программированию на ассемблере?

Заглянув на популярные сайты по поиску работы, вам очень сильно повезет, если вы найдете хотя бы одну вакансию, в заголов­ке которой прописа­но сло­во «ассем­блер». И это действительно так.

Крайне редко может появиться позиция, где одна из компаний будет искать волшебника 99 уровня, хорошо знающего внутренний мир компь­юте­ров, уме­ющего латать сис­тему без исходно­го кода, способного пол­ностью под­чинить себе любую операционку. Но это скорее исключение из правил.

Пот­ребности в такой магии, на сегодняшний день — практически нет.

Но справедливости ради, надо отметить, что знание ассемблера, в совокупности с другими хорошими технологиями, поднимут вашу значимость в глазах работодателей и помогут вам устроиться на более доходную позицию.

---

Надеюсь, наша вводная статья была для вас полезна. Чтобы более детально начать изучать рассматриваемую нами тему, делимся ссылками на актуальные видеоролики по работе с ассемблером: