что такое машинный код в программировании

Машинный код на компьютерах IBM на примере OS / 390

Данных создается в соответствии с заданным форматом хранения. Значение «12» может, например, B. иметь следующий вид (шестнадцатеричное представление минимальной длины):

F1F2 Текст или номер без упаковки 012C упакованный позитив, хранение одного полубайта на число, в конце знаковый полубайт. 012D упакованный негатив (dto) 0C двоичный положительный, соответствует B’00001100 ‘

В случае более длинных полей данных также могут быть начальные нули или, в случае текста, последующие пробелы. Для каждого предоставленного поля данных определяется «адрес», с которого он начинается и где он хранится в соответствии с его длиной и форматом.

C5.1C.92A4.8C2B (точки разделения вставлены только для лучшей читаемости):

C5 = Код команды для CLC = Логический символ сравнения; Сравнение персонажей 1C = длина минус 1 сравниваемых полей (с 00 сравнивается 1 байт и т. Д., Здесь 29 байтов) 92A4 = адрес первого операнда: 9 = базовый регистр, 2A4 = расстояние до регистра 8C2B = адрес второго операнда: 8 = базовый регистр, C2B = расстояние до регистра

47 = Код команды для BC = Переход по условию: Команда перехода, если выполняется условие (из предыдущей команды) 8 = состояние; здесь: если ‘равно’, мнемонический ассемблерный код BE (ветвление при равенстве) 0 = необязательный регистр, содержимое которого добавляется к адресу перехода; не на «0» B = адрес назначения (базовый регистр) 654 = адрес назначения (расстояние); с содержимым B = 6C4410 произойдет переход к адресу 6C4A64.

В коде ассемблера это кодирование могло бы, например, Б. выглядят так:

CLC FELDA (29), FIELDB БЫТЬ ХХХ

ЕСЛИ Field_A = Field_B, то НАЙТИ XXX.

Адреса памяти всегда представлены в машинном коде одной (или двумя) регистрационной информацией и, необязательно, «расстоянием», указанным в команде. При запуске программы операционная система загружает определенный регистр с адресом, по которому программа была загружена в память. Начиная с этого значения, базовые регистры загружаются в программный код (запрограммированный с помощью ASS, сгенерированный с помощью языков высокого уровня), посредством чего команды, снабженные относительными адресами, адресуют фактические ячейки памяти.

Обзор типичных функций машинного языка

Набор инструкций

Следующие мнемоники (сокращения команд) были выбраны в качестве примера и зависят от языка ассемблера.

Пример: команда сложения, такая как ADC (сложение с переносом), сигнализирует следующей программной последовательности, что допустимый диапазон значений был превышен за пределы установки флагов переноса и переполнения.

Различия: Набор команд отдельных процессоров отличается. Не все команды доступны для каждого типа процессора и в каждом поколении процессоров.

Мощность: набор команд процессора предоставляет команды с разной функциональностью. Помимо простых, одноэтапных базовых операций, также доступны команды, объединяющие несколько операций в одной команде.

Категоризация команд

Базовые машинные команды можно разделить на следующие категории:

Источник

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

Машинный код

Машинный код или машинный язык представляет собой набор инструкций, выполняемых непосредственно центральным процессором компьютера (CPU). Каждая команда выполняет очень конкретную задачу, например, загрузки (load), перехода (jump) или элементарной арифметической или логической операции для единицы данных в регистре процессора или памяти. Каждая программа выполняется непосредственно процессором и состоит из ряда таких инструкций.

Машинный код можно рассматривать как самое низкоуровневое представление скомпилированной или собранной компьютерной программы или в качестве примитивного и аппаратно-зависимого языка программирования. Писать программы непосредственно в машинном коде возможно, однако это утомительно и подвержено ошибкам, так как необходимо управлять отдельными битами и вычислять числовые адреса и константы вручную. По этой причине машинный код практически не используется для написания программ.

Почти все практические программы сегодня написаны на языках более высокого уровня или ассемблере. Исходный код затем транслируется в исполняемый машинный код с помощью таких утилит, как интерпретаторы, компиляторы, ассемблеры, и/или линкеры. [Источник 1]

Содержание

Инструкции машинного кода (ISA)

Каждый процессор или семейство процессоров имеет свой собственный набор инструкций машинного кода. Инструкции являются паттернами битов, которые в силу физического устройства соответствуют различным командам машины. Говорят, что процессор A совместим с процессором B, если процессор A полностью «понимает» машинный код процессора B. Если процессоры A и B имеют некоторое подмножество инструкций, по которым они взаимно совместимы, то говорят, что они одной архитектуры. Таким образом, набор команд является специфическим для одного класса процессоров. Новые процессоры одной архитектуры часто включают в себя все инструкции предшественника и могут включать дополнительные. Иногда новые процессоры прекращают поддержку или изменяют значение какого-либо кода команды (как правило, потому, что это необходимо для новых целей), влияя на совместимость кода до некоторой степени; даже почти полностью совместимые процессоры могут показать различное поведение для некоторых команд, но это редко является проблемой.

Системы также могут отличаться в других деталях, таких как расположение памяти, операционные системы или периферийные устройства. Поскольку программа обычно зависит от таких факторов, различные системы, как правило, не запустят один и тот же машинный код, даже если используется тот же тип процессора. [Источник 2]

Виды ISA

x86 всегда был архитектурой с инструкциями переменной длины, так что когда пришла 64-битная эра, расширения x64 не очень сильно повлияли на ISA. ARM это RISC-процессор разработанный с учетом инструкций одинаковой длины, что было некоторым преимуществом в прошлом. Так что в самом начале все инструкции ARM кодировались 4-мя байтами. Это то, что сейчас называется «режим ARM».

На самом деле, самые используемые инструкции процессора на практике могут быть закодированы c использованием меньшего количества информации. Так что была добавлена ISA с названием Thumb, где каждая инструкция кодируется всего лишь 2-мя байтами. Теперь это называется «режим Thumb». Но не все инструкции ARM могут быть закодированы в двух байтах, так что набор инструкций Thumb ограниченный. Код, скомпилированный для режима ARM и Thumb может сосуществовать в одной программе. Затем создатели ARM решили, что Thumb можно расширить: так появился Thumb-2 (в ARMv7). Thumb-2 это всё ещё двухбайтные инструкции, но некоторые новые инструкции имеют длину 4 байта. Распространено заблуждение, что Thumb-2 — это смесь ARM и Thumb. Это неверно. Режим Thumb-2 был дополнен до более полной поддержки возможностей процессора и теперь может легко конкурировать с режимом ARM. Основное количество приложений для iPod/iPhone/iPad скомпилировано для набора инструкций Thumb-2, потому что Xcode делает так по умолчанию. Потом появился 64-битный ARM. Это ISA снова с 4-байтными инструкциями, без дополнительного режима Thumb. Но 64-битные требования повлияли на ISA, так что теперь у нас 3 набора инструкций ARM: режим ARM, режим Thumb (включая Thumb-2) и ARM64. Эти наборы инструкций частично пересекаются, но можно сказать, это скорее разные наборы, нежели вариации одного. Существует ещё много RISC ISA с инструкциями фиксированной 32-битной длины — это как минимум MIPS, PowerPC и Alpha AXP. [Источник 3]

Выполнение инструкций

Компьютерная программа представляет собой последовательность команд, которые выполняются процессором. В то время как простые процессоры выполняют инструкции один за другим, суперскалярные процессоры способны выполнять несколько команд одновременно.

Программа может содержать специальные инструкций, которые передают выполнение инструкции, не идущей по порядку вслед за предыдущей. Условные переходы принимаются (выполнение продолжается по другому адресу) или нет (выполнение продолжается на следующей инструкции) в зависимости от некоторых условий.

Абсолютный и позиционно-независимый код

Позиционно-независимый код — программа, которая может быть размещена в любой области памяти, так как все ссылки на ячейки памяти в ней относительные (например, относительно счётчика команд). Такую программу можно переместить в другую область памяти в любой момент, в отличие от перемещаемой программы, которая хотя и может быть загружена в любую область памяти, но после загрузки должна оставаться на том же месте.

Возможность создания позиционно-независимого кода зависит от архитектуры и системы команд целевой платформы. Например, если во всех инструкциях перехода в системе команд должны указываться абсолютные адреса, то код, требующий переходов, практически невозможно сделать позиционно-независимым. В архитектуре x86 непосредственная адресация в инструкциях работы с данными представлена только абсолютными адресами, но поскольку адреса данных считаются относительно сегментного регистра, который можно поменять в любой момент, это позволяет создавать позиционно-независимый код со своими ячейками памяти для данных. Кроме того, некоторые ограничения набора команд могут сниматься с помощью самомодифицирующегося кода или нетривиальных последовательностей инструкций.

Хранение в памяти

Гарвардская архитектура представляет собой компьютерную архитектуру с физически разделенным хранением сигнальных путей для инструкций и данных. На сегодняшний день, в большинстве процессоров реализованы отдельные сигнальные пути для повышения производительности. Модифицированная Гарвардская архитектура поддерживает такие задачи, как загрузка исполняемой программы из дисковой памяти в качестве данных, а затем её выполнение. Гарвардская архитектура контрастирует с архитектурой фон Неймана, где данные и код хранятся в памяти вместе, и считываются процессором, позволяя компьютеру выполнять команды.

С точки зрения процесса, кодовое пространство является частью его адресного пространства, в котором код сохраняется во время исполнения. В многозадачных системах оно включает в себя сегмент кода программы и, как правило, совместно используемые библиотеки. В многопоточной среде различные потоки одного процесса используют кодовое пространство и пространство данных совместно, что повышает скорость переключения потока.

Связь с языками программирования

Ассемблерные языки

Гораздо более читаемым представлением машинного языка называется язык ассемблера, использующий мнемонические коды для обозначения инструкций машинного кода, а не с помощью числовых значений. Например, на процессоре Zilog Z80, машинный код 00000101, который дает указание процессору декрементировать регистр процессора B, будет представлен на языке ассемблера как DEC B.

Связь с микрокодом

В некоторых компьютерных архитектурах, машинный код реализуется с помощью более фундаментального базового слоя программ, называемых микропрограммами, обеспечивающими общий интерфейс машинного языка для линейки различных моделей компьютеров с самыми различными базовыми потоками данных. Это делается для облегчения портирования программ на машинном языке между различными моделями. Примером такого использования являются компьютеры IBM System/360 и их наследники. Несмотря на то, что ширина потоков данных разнится от 8 до 64 бит и более, тем не менее они представляют общую архитектуру на уровне машинного языка по всей линейке.

Использование микрокода для реализации эмулятора позволяет компьютеру симулировать совершенно другую архитектуру. Семейство System / 360 использовало это для портирования программ с более ранних машин IBM на новые семейства компьютеров, например на IBM 1401/1440/1460.

Связь с байткодом

Машинный код, как правило, отличается от байт-кода (также известного как р-код), который либо выполняется интерпретатором, или сам компилируется в машинный код для более быстрого исполнения. Исключением является ситуация, когда процессор предназначен для использования конкретного байт-кода как машинного, например, как в случае с процессорами Java. Машинный и ассемблерный код иногда называют собственным (внутренним) кодом ЭВМ, когда ссылаются на платформо-зависимые части свойств или библиотек языка. [Источник 4]

Примеры

Пример MIPS 32-bit инструкции

Набор инструкций MIPS – пример машинного кода с инструкциями фиксированной длины – 32 бита. Тип инструкции содержится в поле op (поле операции) – первые 6 бит. Например типы инструкций перехода или немедленных операций полностью определяются этим полем. Инструкции регистров включают дополнительное поле funct, для определения конкретной операции. Все поля, использущиеся в данных типах инструкций:

Rs,rt и rd – индикаторы задействования регистров, shamt – параметр сдвига,а поле address/immediate явно содержит операнд.

Пример: сложение значений в регистрах 1 и 2 и запись результата в регистр 6:

Пример: загрузка значения в регистр 8, взятое из ячейки памяти, находящейся на 68 ячеек дальше, чем адрес, находящийся в регистре 3:

Пример: переход к адресу 1024:

Пример для x86 (MS DOS) – “Hello, World!”

Программа «Hello, world!» для процессора архитектуры x86 (ОС MS-DOS, вывод при помощи BIOS прерывания int 10h) выглядит следующим образом (в шестнадцатеричном представлении):

BB 11 01 B9 0D 00 B4 0E 8A 07 43 CD 10 E2 F9 CD 20 48 65 6C 6C 6F 2C 20 57 6F 72 6C 64 21

Данная программа работает при её размещении по смещению 100₁₆. Отдельные инструкции выделены цветом:

Источник

Машинный код

Из Википедии — свободной энциклопедии

Маши́нный код (платфо́рменно-ориенти́рованный код), маши́нный язы́к — система команд (набор кодов операций) конкретной вычислительной машины, которая интерпретируется непосредственно процессором или микропрограммами этой вычислительной машины. [1]

Компьютерная программа, записанная на машинном языке, состоит из машинных инструкций, каждая из которых представлена в машинном коде в виде т. н. опкода — двоичного кода отдельной операции из системы команд машины. Для удобства программирования вместо числовых опкодов, которые только и понимает процессор, обычно используют их условные буквенные мнемоники. Набор таких мнемоник, вместе с некоторыми дополнительными возможностями (например, некоторыми макрокомандами, директивами), называется языком ассемблера.

Каждая модель процессора имеет собственный набор команд, хотя во многих моделях эти наборы команд сильно перекрываются. Говорят, что процессор A совместим с процессором B, если процессор A полностью «понимает» машинный код процессора B. Если процессоры A и B имеют некоторое подмножество инструкций, по которым они взаимно совместимы, то говорят, что они одной «архитектуры» (имеют одинаковую архитектуру набора команд).

Источник

Что такое машинный код в программировании

Вы читали «Хроники Амбера» Роджера Желязны? Там есть такой эпизод:
Главный герой находится в заточении. В абсолютной тьме. У него были выколоты глаза, но за год они регенерировали, и зрение постепенно к нему возвращается.
И однажды каким-то чудом в одной камере с ним оказывается загадочный Дворкин — создатель Лабиринта. Именно «чудом» — он просто появился неизвестно откуда. Он тоже находится «в заключении», но, в отличие от Корвина (главного героя), может спокойно ходить через каменные стены.
Удивленный Корвин спрашивает его:
— Как ты оказался в моей камере? Ведь здесь нет дверей.
Дворкин отвечает:
— Двери есть везде. Просто нужно знать, как в них войти.
Будем считать это эпиграфом.

1.1. Система счисления

#4. Очень наглядно это отображают обыкновенные счеты. Набранное на них число 35672 будет выглядеть. см. рисунок слева в общем.

Это (если сверху вниз считать) сколько на каждом «прутике» «костяшек» влево отодвинуто.

#5. Пальцев на руках у человека 10, поэтому и считать мы привыкли в системе счисления с основанием 10, то есть в десятичной. Если вы хорошо представляете себе счеты и немного поупражнялись в разложении чисел аналогично выражению 1, то перейти на систему счисления с основанием, отличным от привычной, особого труда для вас не составит. Нужно всего лишь представить себе счеты, на каждый прут которых нанизано не привычные 10 костяшек, а. скажем, 9 или 8, или 16, или 32, или 2 и. попробовать мысленно считать на них.

#6. Для обозначения десятичных чисел мы используем цифры от 0 до 9, для обозначения чисел в системах счисления с основанием менее 10 мы используем те же цифры:

Если же основание системы счисления больше десяти, то есть больше, чем десять привычных нам чисел, то начинают использоваться буквы английского алфавита. Например, для обозначения чисел в системе счисления с основанием 11 «как цифра» будет использоваться буква А:

Правда, при определенном основании (при каком?) буквы аглицкого алфавита закончатся.
Но нам это, пока что, глубоко фиолетово, так как работать мы будем только с тремя radix-ами: 10 (ну естественно), 16 и 2. Правда, если кто на ДВК поизучать это дело собирается, тому еще и radix 8 понадобится.

#7. Числа в любой системе счисления строятся аналогично десятичной. Только на «счетах» не с 10, а с другим количеством костяшек.
Например, когда мы пишем десятичное число 123, то имеем в виду следующее:

Если же мы используем символы 123 для представления, например, шестнадцатеричного числа, то подразумеваем следующее:

Истина где-то рядом.

#8. Трудность у вас может возникнуть при использовании символов A, B, C и т. д. Чтобы решить эту проблему раз и навсегда, необходимо назубок вызубрить ма-а-аленькую табличку «соответствия» между употребляемыми в «компьютерном деле» систем счисления:

Следуя этой таблице, число 5BC в шестнадцатеричном формате «строится» так:

А теперь, если пораскинуть мозгами, с легкостью переведем 5BC из шестнадцатеричной в десятичную систему счисления:

Преобразования чисел в системы счисления с другим основанием проводятся аналогично. Счеты! Обыкновенные счеты, только с «плавающим» числом «костяшек» на каждом «прутике».

Правда, этим немножко затрудняется понимание происходящего? А ведь тоже десятичная система! И рисунок цифр как бы знакомый ))
Или вообще считать в 256-ричной системе счисления, используя в качестве «рисунка цифр» таблицу ASCII-символов! (По сравнению с вами, извращенцами, любой Биллгейтс будет девственником казаться!!).

#12. Теперь самая интересная часть Марлезонского балета.
Компьютер, как известно, считает только в двоичной системе счисления. Человеку привычна десятичная. Так нахрена еще и шестнадцатеричную какую-то знать нужно?
Все очень просто. В умных книжках пишут, что «шестнадцатеричная нотация является удобной формой представления двоичных чисел». Что это значит?
Переведите число A23F из шестнадцатеричной «нотации» в двоичную. (Один из возможных алгоритм приведен в п.10.). В результате длительных манипуляций у вас должно получиться 1010001000111111.
А теперь еще раз посмотрите на таблицу в п. 8. (которую вы как бы уже и выучили) и попробуйте то же самое сделать в уме :

#13. Кстати (наверняка вы это уже знаете):

#1. Наверняка вы имеете представление о том, что такое переменная. Наиболее продвинутые даже знают, что переменная имеет тип. Кажется вполне естественным, что любой высокоуровневый язык программирования позволяет создавать любое количество переменных того или иного типа.

О специализации нам пока что говорить рано, описание наподобие «регистр-указатель базы кадра стека» вам вряд ли о чем-то скажет. Поэтому для начала познакомимся только с так называемыми регистрами общего назначения (РОН), и то не со всеми, а только с четырьмя основными, которые являются своего рода «рабочими лошадками» микропроцессора.

А сейчас мы поближе посмотрим на эти «рабочие лошадки» микропроцессора.

Не правда ли, весьма похоже на то, что показывают в художественных фильмах про хакеров?

Природа не терпит пустоты. Писателей приводит в ужас чистый лист бумаги.

Весьма скоро и вы при виде «пустых» регистров будете испытывать непреодолимое наркотическое желание чем-нибудь их заполнить.

Однако прежде чем мы сделаем это в первый раз, давайте уточним тип этих «переменных».

В общем, в умных книжках рисуют вот такую вот «нездоровую» схемку 3 :

А означает она следующее.

Очевидно, что присвоить AX значение, например, 72F9h, мы можем следующими способами:

Точно так же присвоить значение 78h регистру AH можно двумя способами:

То же самое, но для регистра AL:

Тех, кого смущают числа с буквами, мы со зловредной ухмылкой отсылаем к 1.1. Система счисления :-]

#4. «Принудительно» присвоить регистру значение можно при помощи той же команды «R», только с параметром «имя собственное регистра».

выбросит вам на монитор

Введите после двоеточия, например, число 123 и снова нажмите на Enter:

На дисплее опять появится приглашение «-«, на которое мы отвечаем командой «R» без параметров и таким образом вновь просматриваем значения наших регистров:

4). «Первый справа» бит мы будем называть «нулевым». Однако нам попадались руководства, в которых это же бит обозван как «первый». Можно долго обсуждать тонкости русского языка (которые, к сожалению, не всегда понимает переводчик), однако это выходит за рамки данной книги. Просто имейте это ввиду, что можете с этим столкнуться, и будьте бдительнее, читая документацию.

Например, команда (параметр L8 означает «вывести 8 байтов»):

покажет вам системную дату в правом столбце дампа.

Итак, у нас есть оперативная память, в которую загружается программа перед ее выполнением (сразу же по нажатию на Enter из Norton Commander). Операционная система, которая, собственно, и загружает программу, сообщает процессору, что надо начать обрабатывать команды, которые в памяти начинаются с такого-то адреса. И здесь первый подводный камень, вернее скала, которую трудно не заметить.

Каким образом? А очень легко! Компьютер «распознает» как выход из программы специальную последовательность байтов. Например, для исполнимых файлов типа com (именно с этим типом файлов мы будем работать на начальном этапе) достаточно последовательности CD и 20.

Пробуем-проверяем? Ну конечно же! Только для этого вам понадобится какой-нибудь шестнадцатеричный редактор, например, HexWorkshop.

Запускать это ваше первое творение лучше из Norton или Volcov Commander (все же это пока что DOS’овская программулька).

Последнее и является единственным, что она пока что может делать (корректно выгружаться из памяти).

Вот и давайте создадим еще одну программу типа com со следующим «шестнадцатеричным содержимым»:

На высоком уровне это делает операционная система. Например, она не пытается загрузить в память для выполнения файлы с расширениями, отличными от COM, EXE и BAT (последний вообще не из этой оперы, но принцип сохраняется).

Почти такой же эффект, но с потенциально большей разрушительной силой может получиться, если управление получит ИСПОРЧЕННЫЙ код, который вроде бы «в основном» правильный, но часть его вместо инициализации переменных и прочих подготовительных действий в лучшем случае ничего не делает, а в худшем портит другой код и данные.

#4. Еще немного идеологии. О программе, которая выполняется в памяти.

Соответственно, и программа состоит из трех частей (сегментов): сегмента данных (data), сегмента кода (code) и сегмента стека (stack).

Оставим пока что «гнилой базар» про смысл словосочетаний «реентерабельный/рекурсивный код» и «адрес возврата». Чтобы не затруднять себе понимание происходящего, мы попытаемся абстрагироваться от всех этих ужасающих вещей и для начала заняться только кодом.

Посмотрите на машинные коды, и «что они делают» в #2. Немножко дополним эту «простыню». Например, командой «внести значение» 1234 последовательно в каждый из «регистров общего пользования»:

В этом вы можете убедиться, загрузив вашу программу myprg_1.com в debug (например, командной строкой

А вот дальше начинается самое интересное ))

#7. Вот что вы должны увидеть:

Возвратившись к #2, перенесем сюда «описание» машинных команд.

Соответственно, вместо шестнадцатеричных кодов мы легко могли вводить эти команды при помощи команды «A» (однако этим мы займемся позже).

Итак, вводим «T» и жмем на Enter!

Вводим команду «T» снова:.

Вводим команду «T» снова:.

Вводим команду «T» снова:

«Прибавить содержимое AX к BX». Оно? А то!

Вводим команду «T» снова:

«Переслать содержимое BX в CX». Сделано!

Вводим команду «T» снова:

«Очистка AX»? И точно: AX=0000!

Вводим команду «T» снова. И ГРОМКО РУГАЕМСЯ!!

Для тех, кому лень продолжать жать на букву «T», введите для разнообразия команду «G» (от английского GO). На монитор должна вывалиться надпись «Нормальное завершение работы программы».

#9. Только непонятно вот, почему вдруг между int 20 (CD 20) и надписью «Нормальное завершение работы программы» куча всяких «левых» непонятных команд (в том случае, если вы и дальше производили тарассировку, а не воспользовались «халявной» командой «G»)?

А потому, дорогие наши, что вы имели счастье нарваться на прерывание (interrupt)!

Ну, посудите сами, должна же операционная система ну хоть что-нибудь делать!!

Итак, я достаю свой толстый талмуд с описанием прерываний и выбираю, каким бы это прерыванием вас занять на ближайшие 1/2 часа ;).

Ну, например, вот одно симпатичное, под названием «прокрутить вверх активную страницу».

Внимательно читаем описание (и наши комментарии):

Далее представим входные параметры в виде таблички: (_7)

Плюс подробнейшее толкование, что подразумевается под словом «атрибут» (регистр BH):

Источник

• ← С чем сделать малину на зиму
• как поменять пароль на пин код windows 10 →