перевод программного обеспечения в машинный код
Перевод программного обеспечения в машинный код
Компилятор (англ. compiler — составитель, собиратель) читает всю программу целиком, делает ее перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется.
Компилятор обеспечивает преобразование программы с одного языка на другой. Команды исходного языка сильно отличаются по организации и мощности, нежели команды машинного языка. Бывают такие, в которых одна команда исходного языка транслируется в 7-10 машинных команд. Существуют даже такие, в которых в каждой команде может соответствовать более 100 машинных команд (например язык программирования Пролог). В исходных языках довольно часто используется строгая типизация данных, которая осуществляется через их предварительное описание. Программирование на таких языках может опираться не только на кодирование алгоритма, но и на тщательное обдумывание структур данных или классов. Весь процесс трансляции с таких языков программирования обычно называется компиляцией, а исходные языки обычно относятся к языкам высокого уровня.
Интерпретатор (англ. interpreter — истолкователь, устный переводчик) переводит и выполняет программу строка за строкой.В отличие от компилятора, интерпретатор не порождает на выходе программу на машинном языке. Распознав команду исходного языка, он тут же выполняет ее. Как в компиляторах, так и в интерпретаторах используются одинаковые методы анализа исходного текста программы. Но интерпретатор позволяет начать обработку данных после написания даже одной команды. Это делает процесс разработки и отладки программ более гибким. Кроме того, отсутствие выходного машинного кода позволяет не «захламлять» внешние устройства дополнительными файлами, а сам интерпретатор можно достаточно легко адаптировать к любым машинным архитектурам, разработав его только один раз на широко распространенном языке программирования. Поэтому, интерпретируемые языки, типа Java Script, VB Script, получили широкое распространение. Недостатком интерпретаторов является низкая скорость выполнения программ. Обычно интерпретируемые программы выполняются в 50-100 раз медленнее программ, написанных в машинных кодах.
Что такое ассемблер и нужно ли его изучать
Этому языку уже за 70, но на пенсию он пока не собирается.
Есть традиция начинать изучение программирования с вывода на экран строки «Hello world!». На языке Python, например, это всего одна команда:
Всё просто, понятно и красиво! Но есть язык программирования, в котором, чтобы получить тот же результат, нужно написать солидный кусок кода:
Это ассемблер. Только не нужно думать, что он плох. Просто Python — это язык высокого уровня, а ассемблер — низкого. Одна команда Python при выполнении вызывает сразу несколько операций процессора, а каждая команда ассемблера — всего одну операцию.
Сложно? Давайте разбираться.
Программист, консультант, специалист по документированию. Легко и доступно рассказывает о сложных вещах в программировании и дизайне.
Немного о процессорах и машинном языке
Чтобы объяснить, что такое язык ассемблера, начнём с того, как вообще работает процессор и на каком языке с ним можно «разговаривать».
Процессор — это электронное устройство (сейчас крошечная микросхема, а раньше процессоры занимали целые залы), не понимающее слов и цифр. Он реагирует только на два уровня напряжения: высокий — единица, низкий — ноль. Поэтому каждая процессорная команда — это последовательность нулей и единиц: 1 — есть импульс, 0 — нет.
Для работы с процессором используется машинный язык. Он состоит из инструкций, записанных в двоичном коде. Каждая инструкция определяет одну простую машинную операцию: арифметическую над числами, логическую (поразрядную), ввода-вывода и так далее.
Например, для Intel 8088 инструкция 0000001111000011B — это операция сложения двух чисел, а 0010101111000011B — вычитания.
Программировать на машинном языке нелегко — приходится работать с огромными цепочками нулей и единиц. Трудно написать или проверить такую программу, а уж тем более разобраться в чужом коде.
Поэтому много лет назад был создан язык ассемблера, в котором коды операций обозначались буквами и сокращениями английских слов, отражающих суть команды. Например, команда mov ax, 6 означает: «переместить число 6 в ячейку памяти AX».
Когда и как был создан ассемблер?
Это произошло ещё в сороковых годах прошлого века. Ассемблер был создан для первых ЭВМ на электронных лампах, программы для которых писали на машинном языке. А так как памяти у компьютеров было мало, то команды вводили, переключая тумблеры и нажимая кнопки. Даже несложные вычисления занимали много времени.
Проблему решили, когда ЭВМ научились хранить программы в памяти. Уже в 1950 году была разработана первая программа-транслятор, которая переводила в машинный код программы, написанные на понятном человеку языке. Эту программу назвали программой-сборщиком, а язык — языком ассемблера (от англ. assembler — сборщик).
Появление ассемблера сильно облегчило жизнь программистов. Они смогли вместо двоичных кодов использовать команды, состоящие из близких к обычному языку условных обозначений. Кроме того, ассемблер позволил уменьшить размеры программ — для машин того времени это было важно.
Как устроен язык ассемблера?
Ассемблер можно считать языком второго поколения, если за первый принять машинный язык. Он работает непосредственно с процессором, и каждая его команда — это инструкция процессора, а не операционной или файловой системы. Перевод языка ассемблера в машинный код называется ассемблированием.
Коды операций в языке ассемблера мнемонические, то есть удобные для запоминания:
Регистрам и ячейкам памяти присваиваются символические имена, например:
EAX, EBX, AX, AH — имена для регистров;
meml — имя для ячейки памяти.
Например, так выглядит команда сложения чисел из регистров AX и BX:
А это команда вычитания чисел из регистров AX и BX:
Кроме инструкций, в языке ассемблера есть директивы — команды управления компилятором, то есть программой-ассемблером.
Вот некоторые из них:
Не думайте, что ассемблер — всего лишь набор инструкций процессора с удобной для программиста записью. Это полноценный язык программирования, на котором можно организовать циклы, условные переходы, процедуры и функции.
Вот, например, код, на ассемблере, выводящий на экран цифры от 1 до 10:
Здесь действие будет выполняться в цикле — как, например, в циклах for или do while в языках высокого уровня.
Единого стандарта для языков ассемблера нет. В работе с процессорами Intel разработчики придерживаются двух синтаксисов: Intel и AT&T. Ни у того ни у другого нет особых преимуществ: AT&T — стандартный синтаксис в Linux, а Intel используется в мире Microsoft.
Одна и та же команда в них выглядит по-разному.
Например, в синтаксисе Intel:
mov eax, ebx — команда перемещает данные из регистра eax в регистр ebx.
В синтаксисе AT&T эта команда выглядит так:
Почему для разных семейств процессоров нужен свой ассемблер?
Дело в том, что у каждого процессора есть набор характеристик — архитектура. Это его конструкция и принцип работы, а также регистры, адресация памяти и используемый набор команд. Если у процессоров одинаковая архитектура, то говорят, что они из одного семейства.
Так как наборы команд для разных архитектур процессоров отличаются друг от друга, то и программы на ассемблере, написанные для одних семейств, не будут работать на процессорах из других семейств. Поэтому ассемблер называют машинно-ориентированным языком.
Кому и зачем нужен язык ассемблера?
Даже из нашего примера «Hello, World!» видно, что ассемблер не так удобен в разработке, как языки высокого уровня. Больших программ на этом языке сейчас никто не пишет, но есть области, где он незаменим:
Если вы хотите разрабатывать новые микропроцессоры или стать реверс-инженером, то есть смысл серьёзно заняться изучением языка ассемблера.
Востребованы ли программисты на ассемблере сегодня?
Конечно. Хотя на сайтах по поиску работу вы вряд ли найдёте заявки от работодателей с заголовками: «Нужен программист на ассемблере», зато там много таких, где требуется знание ассемблера дополнительно к языкам высокого уровня: C, C++ или Python. Это вакансии реверс-инженеров, специалистов по компьютерной безопасности, разработчиков драйверов и программ для микроконтроллеров/микропроцессоров, системных программистов и другие.
Предлагаемая зарплата — обычная в сфере IT: 80–300 тысяч рублей в зависимости от квалификации и опыта. Вот, например, вакансия реверс-инженера на HeadHunter, где требуется знание ассемблера:
Стоит ли начинать изучение программирования с языка ассемблера?
Нет, так делать не нужно. Для этого есть несколько причин:
Поэтому, даже если вы решили заняться профессией, связанной с ассемблером, изучение программирования вам лучше начинать с языка высокого уровня. А уж ассемблер после него будет выучить несложно.
обложка: Полина Суворова для Skillbox Media
Перевод программного обеспечения в машинный код
Многие любители не испытывают серьезных трудностей в овладении БЕЙСИКом. Для этого достаточно немного практики. Но рано или поздно они приходят к барьеру «машинного кода». Как это ни печально, но некоторые так перед ним и останавливаются. Это ни в коей мере не связано с отсутствием желания или способностей, просто многие не знают, с чего начать. Если в БЕЙСИКе можно начинать с чего угодно (при ошибке компьютер сам Вас поправит), то здесь Вы оказываетесь с процессором один на один, и такой метод проб и ошибок не срабатывает.
Итак, давайте напишем первую программу в машинном коде. Прежде всего, выделим для нее область памяти. Если Вы читали нашу книгу «Большие возможности Вашего «ZX-Spectrum`а», то знаете, что для БЕЙСИКа в оперативной памяти компьютера отведена область памяти, начинающаяся с адреса, на который указывает системная переменная PROG и заканчивается адресом, на который указывает системная переменная RAMTOP. Предположим, что Вы хотите записать программу в машинных кодах, начиная с адреса 30000. Дайте команду CLEAR 29999. Эта команда установит RAMTOP в 29999 и Ваша программа будет защищена от возможной порчи из БЕЙСИКа. Даже если Вы дадите команду NEW, области памяти, находящиеся выше RAMTOP, не будут поражены.
Теперь дайте две прямые команды одну за другой:
Если все, что Вы здесь прочитали, Вам понятно, то Вы уже поняли, как составляются программы в машинных кодах. Можно, конечно, возразить, что пользы от такой программы не очень много, но сейчас не в этом суть. Важно, чтобы Вы поняли, что некая последовательность чисел может быть последовательностью команд для процессора Z-80.
Теперь давайте вернемся к нашей первой программе и попробуем ее несколько развить, чтобы она все же что-то делала. Процессор Z-80 имеет несколько регистров, у которых есть имена – «А», «В», «С» и т.д. Каждый из них может содержать одно какое-либо целое число от 0 до 255 (т.е. один байт).
Существуют десятки команд процессора, которые позволяют копировать содержимое регистров из одного в другой, а также выполнять связь с внешним миром, в т.ч. и с оперативной памятью.
Итак, мы уже готовы к тому, чтобы написать программу, которая будет перебрасывать какое-либо число из одного регистра процессора в другой.
Машинный код и компиляция в него — это как?
1 ответ 1
Baremetal
Каждый конкретный процессор (например, Intel Core i3-4160 или ARM Cortex-A9) имеет свою микроархитектуру и реализует архитектуру уровня набора команд (англ. instruction set architecture).
Микроархитектура определяет структуру процессора на уровне электронных компонентов и логических вентилей.
Архитектура уровня набора команд (ISA), грубо говоря, определяет то, какие команды может выполнять процессор. Эта архитектура абстрагированна от микроархитектуры. Процессоры разных комнаний могут реализовывать одну и ту же архитектуру (например, многие процессоры Intel и AMD реализует одно и то же семейство архитектур x86).
Если два процессора реализуют одну и ту же ISA, то они могут исполнять одни и те же программы. ISA определяет, какие команды доступны программисту, какие регистры он может использовать, как он может использовать страничную адресацию, виртуальную память и т. д. Кроме того, она определяет формат команд, которые понимает процессор.
Каждая программа процессора — это просто набор подряд идущих команд. При своем запуске процессор выбирает команду из память по адресу, называемому вектором сброса (англ. reset vector) и начинает исполнять эту программу, пока питание не будет отключено.
Написать программу в машинных кодах достаточно просто — нужно лишь взять справочник по ISA (например, Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals), которую реализует ваш процессор и написать нужные команды байт за байтом.
Конечно, в наше время никто в машинных кодах не пишет, потому что человеку тяжело работать с большим объемом чисел и сложными форматами команд (особенно в x86). Из-за таких сложностей были придуманы языки ассемблера, которые вводят простые мнемоники для инструкций процессора.
Вот так может выглядет отрывок программы на языке ассемблера:
Вот так выглядит программа на машинном языке:
Очевидно, что асссемблерный код и читать, и писать проще.
Теперь у вас достаточно знаний, чтобы открыть справочник, как по словарю, написать программу в машинных кодах и исполнить ее на процессоре. Но, это не сработает в случае, если вы хотите написать программу, которая будет работать в какой-либо операционной системе.
Операционная система
Как я уже сказал, каждая программа процессора — это просто последовательность команд, однако каждая программа операционной системы — это особая последовательность байт, имеющая специальную структуру, в которую входят не только команды процессора.
Поэтому чтобы вручную написать программу в машинных кодах, которая будет запускаться в Windows 10, например, нам, по-мимо написания самой программы, потребуется привести ее к формату Portable Executable.
Но и этого будет не достаточно. Нам придется ознакомится с соглашениями, которые называются ABI и написать программу в машинных кодах, используя именно эти соглашения, а не какие-то другие.
Здесь необходимо, чтобы все части паззла подходили друг к другу по форме: программа должна быть валидной для процессора, формат бинарного файла должен быть понятен операционной системе, программа должна уметь корректно общаться с ОС и т. д. Это все очень сложно обеспечить, если писать программу в шестнадцатеричном редакторе.
Можете начать с написания программ на языке ассемблера (да, вам придется еще выучить синтаксис конкретного языка ассемблера и диалект Intel или AT&T). «Hello, World» на языке NASM будет выглядеть так:
А нужно ли вам это?
В наше время компьютеры стали очень сложными, с десятками слоями абстраций. Даже инструкции ISA современных процессоров — не атомарные сущности, и процессоры выполняет каждую такую инструкцию как набор еще более мелких инструкций — микрооперации (из таких мокроопераций складывается микрокод).
На самом деле, умение писать на языке ассемблера (а тем более, на машинном языке) довольно бесполезно. Умение просто читать и понимать ассемблерный листинг гораздо более практично и действительно может вам пригодится.
А непрактично это в первую очередь потому, что ничего сложнее «Hello, World!» в машинных кодах вы не напишете. На ассемблере — да, напишете, но потратите на это колоссальное количество времени, которое можно было бы потратить на более полезные вещи.
1. Что интересно, инструкция MOV в x86 является Тьюринг-полной, т. е. любая программа может быть написана с использованием одной только этой инструкции. Есть даже специальный компилятор, который использует только одну эту инструкцию.
2. Некоторые ассемблеры могут сразу формировать исполняемые файлы в нужном формате. В том числе и Portable Executable.
3. Я говорю о современных ОС типа Windows или Linux.