Язык компьютера или машинный код

Законный вопрос — зачем изучать программирование в машинных кодах, когда существует столько разнообразных языков программирования, рассчитанных на любые вкусы и интересы? Разве это не возврат на тридцать пять лет назад, когда программировали только в кодах, и языков программирования еще не существовало? Разве писать программу в машинном коде это не то же самое, что высекать дом в скале с помощью напильника? Чтобы ответить на эти вопросы, надо рассмотреть, что же такое языки программирования и как они обеспечивают общение человека с компьютером.

Процессор — это микросхема, которая не понимает никаких языков программирования, воспринимает только машинные коды, поскольку они представлены электрическими импульсами. Поэтому, когда мы запускаем программу в машинных кодах, то работаем с процессором напрямую, без каких-либо посредников, какими являются языки программирования. Для компьютера язык программирования сам по себе ничего не говорит. Ему нужна системная программа, которая прочитает операторы Вашей программы и переведет их (транслирует) в машинный код. Такие программы существуют, их называют трансляторами.

Трансляторы бывают двух типов — Интерпретаторы и Компиляторы.

Интерпретатор переводит Вашу программу с языка высокого уровня (например, БЕЙСИКа) в машинный код последовательно строку за строкой. Он работает примерно так: прочитал строку, проверил, нет ли в ней ошибок, перевел ее в машинный код, выполнил команды машинного кода, запомнил, где нужно результат и перешел к следующей строке. Чтобы сделать, например, операцию

интерпретатор обращается к процессору несколько сот раз. Вам этого не видно, все равно результат появится на экране через доли секунды, но это так.

Если же Вам позже придется вернуться к этой строке (например, с помощью GO TO 10), то все эти действия будут повторены.

А ведь многие операции выполняются в циклах.

Таким образом, интерпретатор работает крайне медленно. Зато имеется возможность работы в диалоговом режиме. Так, на Бейсике, когда Вы набираете программу, каждая строка сразу же и проверяется на правильность синтаксиса и, если Вы сделаете ошибку, то строка не будет введена в программу нажатием клавиши ENTER до тех пор, пока Вы эту ошибку не устраните. Вы всегда можете прервать работу программы, внести изменения и стартовать опять, причем с той строки, с какой хотите. Работать с интерпретатором БЕЙСИКа настолько удобно для начинающих, что на многих моделях персональных ЭВМ, в том числе и на «ZX-Spectrum`е», он уже «зашит» в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и служит не только языком программирования, но и выполняет функции операционной системы компьютера. При включении компьютера в сеть он сразу готов к выполнению команд БЕЙСИКа.

В отличие от интерпретатора, компилятор переводит Вашу программу с языка высокого уровня (например, Паскаля или Фортрана) в машинные коды всю целиком. После того, как программа написана, она компилируется в машинный код. Программа, написанная Вами на языке, называется исходным текстом (исходным модулем, исходным блоком, исходным файлом). То, что Вы получаете в результате компиляции, называется объектным кодом (модулем). Вы можете выгрузить объектный код на ленту, а потом снова загрузить. Можете запустить его на исполнение, но здесь у Вас уже нет возможности во время работы программы ее остановить, внести изменения и снова запустить с произвольно взятого места. Если такая необходимость возникает, надо заново загрузить исходный текст программы, внести изменения, а потом опять откомпилировать его в машинный код.

Поскольку здесь компиляция выполняется для каждой строки только один раз, а потом полученный машинный код можно использовать хоть всю жизнь, то здесь скорость работы программы гораздо выше и лишь немного уступает скорости программ, сразу написанных на Ассемблере. Те все же быстрее, т.к. как бы хорош компилятор ни был, он все же не в состоянии сделать объектный код оптимальным по быстродействию и по объему занимаемой памяти.

К недостаткам компиляторов относится и то, что здесь процесс составления и отладки программ более трудоемкий и менее очевидный, т.к. между внесением изменений в программу и результатом запуска есть еще промежуточный процесс — компиляция. Кроме того, компиляторы часто накладывают ограничения на применение тех или иных операторов языка программирования.

Итак, программирование в машинном коде (на Ассемблере) позволяет повысить скорость работы программы по сравнению с работой через интерпретатор в 50…200 раз и в 1,5…3 раза по сравнению с кодом, прошедшим компиляцию. Это бывает чрезвычайно важно, если в программе есть многочисленные вложенные друг в друга циклы, если многократно выполняются поиск и выбор данных из обширных областей памяти. Много времени занимают операции, связанные с обработкой графических изображений на экране. Эффект плавного и быстрого перемещения (и изменения формы) объектов в компьютерных видеоиграх практически всегда создается программированием в машинном коде.

Второй важный момент состоит в сокращении объема занимаемой памяти. Казалось бы, что 48 килобайтов в «ZX-Spectrum`е» — это немало. Тем не менее, если учесть, что почти 7К занимает экранная область памяти, то при создании красочных программ, содержащих несколько десятков экранов, на их хранение даже и в компрессированном виде уходит несколько десятков килобайт, а надо еще выделить место для хранения таблиц данных, переменных, текстов сообщений и т.п. Поэтому в лучших программах на сам машинный код, по которому они работают, остается всего 4…8К. Здесь и проявляется мастерство программиста, сумевшего обеспечить в столь малом объеме богатое многообразие вариаций игры, палитру цветов и гамму звуков.

Сравним расход памяти при работе на БЕЙСИКе и в машинных кодах. Программа на БЕЙСИКе размером в 30 строк занимает примерно 1К памяти.

Аналогичная ей, выполняющая те же задачи, программа в машинных кодах будет иметь примерно 150 строк (команд), но занимают они всего 200…250 байтов оперативной памяти.

В нашей стране есть еще две объективные причины, вызывающие повышенный интерес к программированию в машинных кодах.

Дело в том, что наибольшее число пользователей этого класса компьютеров у нас составляют радиолюбители и специалисты по электронике, самостоятельно собравшие компьютер. Обычно они не останавливаются на достигнутом результате. А развивают свое хобби дальше, ищут пути усовершенствования машины, пути подключения дополнительных устройств: интерфейсов принтера, дисковода, джойстика, светового пера, программатора, контроллеров бытовой аппаратуры, бытовых систем, систем управления различными моделями и т.д. Вплоть до систем управления технологическими процессами промышленных предприятий. В конце 80-х годов в Душанбе на базе этого компьютера была сделана система голосования республиканского парламента. Работают под управлением «Спектрума» и очень интересные системы управления сельскохозяйственными предприятиями (фермами и птицефермами). Интересны автоматизированные системы диагностирования автомобиля, системы контроля состояния спортсменов и многое другое. Поскольку процедуры, управляющие работой всех этих устройств (их называют драйверами), обычно пишутся в машинных кодах, то их надо знать и уметь с ними работать.

Другая особенность состоит в том, что основная масса программ для Синклер-компьютеров написана в Англии на английском языке. Желание адаптировать эти программы на русский язык во многих случаях упирается в необходимость понимания структуры программы, а большинство лучших программ написано именно в машинных кодах.

«ИНФОРКОМ» получает множество писем с вопросами по поводу переделки системы загрузки фирменных программ. Мы так понимаем, что многие уже обзавелись дисководом с Бета-диск интерфейсом, и теперь перед ними стоит задача переписывания программ на диск. При этом пользоваться «магической кнопкой» они не хотят, т.к. при этом любая, даже самая короткая программа будет занимать на диске 48К, а хотят ее переписать на диск блок за блоком и сопроводить загрузчиком с диска. На все эти вопросы ответ может быть только один. Поскольку разные фирмы в своих программах применяют разные системы загрузки, универсального решения здесь не существует. К каждой программе нужен индивидуальный подход. Надо прочитать загрузчик программы, понять куда какой блок загружается и в каком порядке они стартуют, а затем, если надо, внести в него свои изменения. Поскольку лучшие программы имеют при себе загрузчик в машинных кодах (обычно он следует после БЕЙСИК-загрузчика или организован внутри него в строке после оператора REM), то умение работать с машинным кодом Вам пригодится и здесь. Вот в основном те причины, которые могут побудить Вас к освоению программирования в машинных кодах или хотя бы их пониманию (что достигается гораздо быстрее, чем способность активного программирования, но имеет не меньше значения), хотя хотелось бы отметить еще два важных, на наш взгляд, обстоятельства.

Во-первых, «Спектрум» имеет ПЗУ объемом 16К. Эта память буквально насыщена множеством очень полезных системных процедур. Все они записаны в машинных кодах. Их можно смело применять в собственных программах, обращаясь к ним по мере необходимости. Это дает колоссальный выигрыш в расходе памяти и вообще очень упрощает программирование. Поскольку все содержимое ПЗУ записано в машинном коде, умение разбираться в нем является необходимым. Для использования системных программ, содержащихся в ПЗУ, Вам необходимо ознакомиться с основами программирования в машинных кодах.

Во-вторых, изучение программирования в машинном коде процессора Z-80 хоть и трудоемкий, но очень полезный шаг для Вашего будущего. Компьютерная техника непрерывно прогрессирует. Широко внедряются IBM-совместимые машины с процессорами 8088, 8086, 80286, 80386, 80486. Процессор Z-80 — «двоюродный брат» процессора 8088 и имеет определенные черты сходства со всей этой серией. Те из Вас, кто свяжут свою судьбу с профессиональной вычислительной техникой, еще не раз вспомнят добром свои первые шаги в освоении машинного кода Z-80.

Что же касается особой трудоемкости работ по программированию в машинных кодах, то и здесь есть ряд возражений.

· Нет необходимости сразу программировать. На первом этапе Вы уже сможете многого достичь, если будете просто разбираться в программах, а дальше все придет с набором опыта.

· Существуют ассемблирующие программы, которые имеют достаточный набор средств, чтобы освободить Вас от самой рутинной работы и снизить трудоемкость программирования.

· Как правило, нет никакой необходимости всю программу писать в машинных кодах. Всегда в ней можно выделить блок, который решающим образом влияет на быстродействие. Он может быть очень маленьким по размеру. Вот его-то и надо записать в машинных кодах, а остальную часть программы оставить, например, на БЕЙСИКе. Если Вы создаете программу «русско-английский словарь», то она вполне может быть написана на БЕЙСИКе и только процедура поиска перевода слова, занимающая много времени, должна быть записана в машинных кодах. Если же Вы создаете русско-китайский словарь, то еще одним узким местом станет рисование на экране иероглифов. Вам придется записать несколько процедур, которые смогут делать это быстро. Диалог с пользователем программа может вести и из БЕЙСИКа.

· И, наконец, последнее. Ни один программист, работающий в машинных кодах, не пишет большую программу от начала и до конца с чистого листа. Программа представляет хитроумное сплетение больших и малых подпрограмм (процедур), из которых до 80% стали для этого программиста стандартными, т.е. он применяет их регулярно во всех своих программах без особых перемен, а Вы никогда об этом и не догадаетесь. Это могут быть арифметических и логических вычислений, обработки изображений, опроса внешних устройств (например, джойстика), вывода текста на экран, звуковых эффектов и т.д. и т.п.

Конечно, если Вы делаете только первые шаги в машинных кодах, то у Вас нет еще такой библиотеки, но прочитав эту книгу, Вы уже можете покопаться в машинном коде некрупных фирменных программ. Там Вы найдете множество открытий. В этом Вам очень поможет какая-либо дисассемблирующая программа, например MONITOR 16/48. Для Вас открыты и другие книги «ИНФОРКОМа» и, самое главное, наши выпуски «ZX-РЕВЮ».

Источник статьи: http://zxpress.ru/book_articles.php?id=1045

Машинный код

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 свой 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).

Содержание

Машинная инструкция

Каждая машинная инструкция выполняет определённое действие, такое как операция с данными (например, сложение или копирование машинного слова в регистре или в памяти) или переход к другому участку кода (изменение порядка исполнения; при этом переход может быть безусловным или условным, зависящим от результатов предыдущих инструкций). Любая исполнимая программа состоит из последовательности таких атомарных машинных операций.

Операции, записываемые в виде одной машинной инструкции, можно разделить на «простые» (элементарные операции) и «сложные». Кроме того, большинство современных процессоров состоит из отдельных «исполнительных устройств» — вычислительных блоков, которые умеют исполнять лишь ограниченный набор простейших операций. При исполнении очередной инструкции специальный блок процессора — декодер — транслирует (декодирует) её в последовательность элементарных операций, понимаемых конкретными исполнительными устройствами.

Архитектура набора команд процессора определяет, какие операции он способен выполнять, и какой машинной инструкции какие числовые коды операций (опкоды) соответствуют. Опкоды бывают постоянной длины (у RISC-, MISC-архитектур) и диапазонной (у CISC-архитектур; например: для архитектуры x86 команда имеет длину от 8 до 120 битов).

Современные суперскалярные процессоры способны выполнять несколько машинных инструкций за один такт.

Машинный код как язык программирования

Машинный код можно рассматривать как примитивный язык программирования или как самый низкий уровень представления скомпилированных или ассемблированных компьютерных программ. Хотя вполне возможно создавать программы прямо в машинном коде, сейчас это делается редко в силу громоздкости кода и трудоёмкости ручного управления ресурсами процессора, за исключением ситуаций, когда требуется экстремальная оптимизация. Поэтому подавляющее большинство программ пишется на языках более высокого уровня и транслируется в машинный код компиляторами. Машинный код иногда называют нативным кодом (также собственным или родным кодом — от англ. native code ), когда говорят о платформенно-зависимых частях языка или библиотек. [2]

Программы на интерпретируемых языках (таких как Бейсик или Python) не транслируются в машинный код; вместо этого они либо исполняются непосредственно интерпретатором языка, либо транслируются в псевдокод (байт-код). Однако интерпретаторы этих языков (которые сами можно рассматривать как процессоры), как правило, представлены в машинном коде.

Микрокод

В некоторых компьютерных архитектурах поддержка машинного кода реализуется ещё более низкоуровневым слоем программ, называемых микропрограммами. Это позволяет обеспечить единый интерфейс машинного языка у всей линейки или семейства компьютеров, которые могут иметь значительные структурные отличия между собой, и облегчает перенос программ в машинном коде между разными моделями компьютеров. Примером такого подхода является семейство компьютеров IBM System/360 и их преемников: несмотря на разные шины шириной от 8 до 64 бит и выше, тем не менее, у них общая архитектура на уровне машинного языка.

Использование слоя микрокода для реализации эмулятора позволяет компьютеру представлять архитектуру совершенно другого компьютера. В линейке System/360 это использовалось для переноса программ с более ранних машин IBM на новое семейство — например, эмулятор IBM 1401/1440/1460 на IBM S/360 model 40.

Абсолютный и позиционно-независимый код

Абсолютный код (англ. absolute code ) — программный код, пригодный для прямого выполнения процессором [1] , то есть код, не требующий дополнительной обработки (например, разрешения ссылок между различными частями кода или привязки к адресам в памяти, обычно выполняемой загрузчиком программ). Примерами абсолютного кода являются исполнимые файлы в формате .COM и загрузчик ОС, располагаемый в MBR. Часто абсолютный код понимается в более узком смысле как позиционно-зависимый код (то есть код, привязанный к определённым адресам памяти).

Позиционно-независимый код (англ. position-independent code ) — 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. [1]

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.

Программа «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:

BB 11 01 , B9 0D 00 , B4 0E , 8A 07 — команды присвоения значений регистрам.
43 — инкремент регистра BX.
CD 10 , CD 20 — вызов программных прерываний 10₁₆ и 20₁₆.
E2 F9 — команда для организации цикла.
Малиновым показаны данные (строка «Hello, world!»).

Источник статьи: http://wiki2.net/%D0%9C%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%B4