ассемблер зачем нужен в 2020
Графика и ассемблер – актуально ли в 2020 году?
“К чему это все?” – спросите вы. Сейчас я постараюсь ответить на этот вопрос. Начнём с предисловия.
Ассемблер – низкоуровневый язык, который позволяет контролировать каждый мельчайший процесс, на который порой трудно воздействовать в более высокоуровневых языках, например, в С++.
С течением времени технологии росли, память дешевела, появлялись все новые и новые инструменты. Тогда и настало время, когда благоприятные условия для появления более серьезного кода были сформированы.
Язык ассемблера – довольно сложный для непосвящённого в программирование пользователя и является сложным для вхождения в сферу программирования. Сейчас же существует огромное множество языков, снижающих порог вхождения в IT сферу. Это одно из преимуществ высокоуровневых языков. Больше людей начинают пробовать себя в этой сфере, что только подталкивает вперед развитие IT индустрии.
Но в чём же проблема с графикой? Зачем пришлось создавать адаптированные под неё среды программирования? Дело в том, что с ростом сложности запросов пользователей росли и технологии. Графические возможности низкоуровневых языков уже не удовлетворяли запросов нового времени. Для создания сложных графических анимаций требовалось много трудозатратной работы. На помощь программистам пришли новые языки, которые со временем становились только лучше и лучше. Создавать графику сейчас стало намного проще и менее трудозатратно, чем не так давно.
В 2020 уровень развития технологий, а именно графики, достиг небывалых высот, которых еще лет 20 назад и не представляли. Графика теперь повсюду. Любое приложение теперь делается по стандартам качества нового времени. Но ведь кто захочет пользоваться интерфейсом нулевых годов?
“Что же насчет создания графики на ассемблере в 2020?” Так я отвечу. Во время прогресса технологий на ассемблере уже очень сложно, я бы сказал почти невозможно создавать все то, что с легкостью делается на других высокоуровневых языках. Огромная трудозатратная и кропотливая работа с кодом уже не стоит того. Даже на создание легкого графического примитива на ассемблере понадобится больше времени и строк кода, чем на том же С++. Это и есть главное преимущество высокоуровневых языков.
Примитивное действие, объём которого на С++ занимает всего 1 строку, на ассемблере занимает целых 12 строк. С графикой всё довольно сложнее. Естественно, это неудобно и ни к чему, если с этой операцией легко справляется высокоуровневый язык программирования.
Получается, что графика на ассемблере в 2020 году уже не так актуальна, как ранее. Сам язык уже не соответствует тем стандартам, которые требуются для создания качественных графических изображений. Сейчас его используют разве что для вычислений и обработки данных, в скорости чего он определенно фаворит, но совсем проигрывает нынешним языкам в создании графики. То есть графические изображения гораздо практичнее создавать на специализированных языках, а оптимизацию и обработку данных поручать ассемблеру. Данная комбинация позволит лучше раскрыть потенциал обоих языков и выдать наиболее оптимизированный и качественный код.
1. Создание графических примитивов на ассемблере [Электронный ресурс] // URL : https://karpsy.ru/socialnye-seti/sozdanie-graficheskih-primitivov-na-assemblere-programmirovanie-na.html
2. Графический ассемблер [Электронный ресурс] // URL : http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200007/48.html
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
Ассемблер в 2k21: кто и зачем продолжает писать на машинно-ориентированном языке
Жизнь слишком коротка, чтобы кодить на ассемблере. И всё же в некоторых задачах он до сих пор незаменим.
В этом году ассемблер ворвался в топ-10 языков программирования по версии TIOBE, а значит, старичка ещё рано отправлять на пенсию. Мы пообщались с разработчиками, которые пишут код на ассемблере, а ещё изучили мнения зарубежных девелоперов на Quora и Stack Overflow.
Где используют ассемблер в 2021 году
Сегодня ассемблер используют как минимум в четырёх направлениях.
Операционные системы и компиляторы. Современные операционные системы, например дистрибутивы Linux, пишут на C/C++, но там есть фрагменты на ассемблере. Некоторые фрагменты g++ и компиляторы для BASIC и Fortran тоже написаны на машинно-ориентированном языке.
Встроенные системы и драйверы. На ассемблере пишут драйверы под Windows для архитектуры процессоров x86 и программы для AVR-микроконтроллеров и Arduino.
Кибербезопасность и хакинг. С помощью ассемблера хакеры взламывают ПО, а разработчики пишут на нём защиту от взлома. Иногда встречаются и вирусы на ассемблере. Их тяжелее обнаружить, и они куда эффективнее высокоуровневых.
Виртуальные машины / эмуляторы. Виртуальные машины тесно взаимодействуют с ОС, поэтому частично написаны на ассемблере. Как, например, LLVM или Surface Duo Emulator.
Есть мнение, что худо-бедно знать ассемблер нужно всем разработчикам. Он помогает отлаживать программы, когда обычные способы не работают, исправлять ошибки в стандартной библиотеке или функциях ОС. Разработчику проще оптимизировать код, если он понимает, как процессор обрабатывает инструкции.
«Считается, что веб-разработчику ассемблер знать ни к чему. Правда, потом страница с текстом потребляет 100% ресурсов процессора и 2 гигабайта ОЗУ. Если честно, всем, кто пишет прикладные программы, полезно знать, как работает компьютер. Хочется, чтобы все эти люди думали не в стиле „запустилось на моём сверхсовременном компе, и ладно“, а хоть немного пытались оптимизировать свои поделки и уж тем более не использовали всякие извращения вроде Electron».
Юрий Иваник,
администратор Telegram-чата про ассемблер pro.asm
Журналист, коммерческий автор и редактор. Пишет про IT, цифровой маркетинг и бизнес.
Сайт: darovska.com.
Операционные системы и низкоуровневое ПО
Ассемблеры — это целая группа машинно-ориентированных языков программирования. Набор команд ( ISA ) и архитектура конкретного ассемблера зависит от типа процессора. Поэтому для разных процессоров команды тоже будут разными — единого стандарта языка не существует.
«Ассемблер — это лёгкая мнемоническая обёртка для машинных команд процессора, в которой человеку их легче понять и запомнить. Чтобы писать на ассемблере, нужно понимать архитектуру процессора, набор его команд и адресные пространства. Сейчас ассемблер используют в основном разработчики микроконтроллеров, драйверов и чипов — в общем, те, кто непосредственно работает с железом».
«Иногда ассемблер называют машинным языком, но это не совсем корректно. Машинный язык — это нули и единицы, понятные процессору. А программа на ассемблере проходит фазу компиляции — преобразования кода, понятного человеку, в набор байтов, понятный процессору.
Ассемблер используют там, где важен каждый такт работы исполнительного ядра, высокая производительность или ресурсы крайне ограничены. На языке ассемблера можно писать программы, драйвера, да хоть саму ОС! И такая даже есть — KolibriOS».
Юрий Иваник,
администратор Telegram-чата про ассемблер pro.asm. Комментарий для Skillbox Media
«На ассемблере, например, пишут код начальной загрузки компьютера, который запускается перед средой выполнения языка более высокого уровня».
Лоуренс Стюарт,
технический директор Serissa Research
«Ассемблер незаменим для загрузчиков, демосцен (маленькие демки — интро до 512 байт, как правило), оптимизации кода. В ситуациях, когда крайне важна производительность и мало памяти для кода».
Встроенные системы
«Встроенные системы» — это микрокомпьютеры, которые решают определённые задачи. Они встречаются в автомобилях, телевизорах, цифровых камерах, IoT-устройствах и мобильных телефонах. Для встроенных систем исторически использовали именно ассемблер.
«Когда компиляторы и языки программирования были относительно примитивными, многие программы и даже операционные системы полностью писали на ассемблере. На машинном языке почти не кодили, а Fortran и COBOL плоховато подходили для встроенных систем.
Кросс-ассемблеры и кросс-компиляторы встречались редко — последние работали на мэйнфреймах и с дискет. Поставщики микропроцессоров или микроконтроллеров редко писали хорошие компиляторы, потому что не разбирались в программном обеспечении».
«Несколько лет назад я был разработчиком в компании, которая устанавливала видеодомофоны. Мы закупили гигантскую партию домофонов в Китае, а к ним прилагалось ПО, написанное на С++, документация — всё как положено.
На внутренних тестах выяснилось, что аппаратура страшно тормозит, и клиенты, очевидно, будут недовольны. А так как я был опытным разработчиком, мне поставили задачу ускорить работу системы. Классическая история, когда ошибку менеджеров и руководителей пытаются заткнуть техническими специалистами.
При анализе оборудования мы выяснили, что оно построено на микроконтроллерах с открытой архитектурой, у которых есть очень толковая документация, а вот ПО для них написали китайцы — причём чуть ли не перед отправкой к нам.
В итоге оно получилось страшно сырым и держалось на стандартных функциях из библиотек, написанных сообществом любителей этих микроконтроллеров. Я вооружился документацией и переписал кучу этих низкоуровневых функций на ассемблере. Это заметно повысило скорость работы — в некоторых случаях до 15 раз.
После этого было ещё несколько подобных задач. К программированию на ассемблере мы в основном обращались, когда нужно было «пошаманить» со скоростью выполнения низкоуровневых запросов к железу. Кстати, забавная история: спустя некоторое время я обнаружил в китайских драйверах к экшн-камере кусок своего кода на ассемблере!»
Василий Сысоев,
ведущий разработчик ООО «Встроенные системы». Комментарий для Skillbox Media
Со временем микроконтроллеры и процессоры стали быстрее и умнее, поэтому всё больше популярности набирали языки высокого уровня.
«Ассемблер до сих пор используют во встроенных системах, когда ресурсов мало или нужна жёсткая оптимизация. Но чаще всего код для встраиваемых систем пишут на С».
Евгений Красников,
участник сообщества pro.asm. Комментарий для Skillbox Media
Кибербезопасность и хакинг
«Некоторые важные части микропрограмм для смарт-карт написаны на ассемблере — это помогает защитить программное обеспечение от атак. Ассемблер — единственный язык, на котором вы полностью контролируете двоичный код программы. Это важно, ведь компилятор может оставить „дыру“ в прошивке, через которую злоумышленник взломает аппаратуру».
Любые задачи, с которыми не справляются С/С++
Сейчас встраиваемые системы чаще всего программируют на C — это стандарт. Также популярность набирает C++. А на ассемблере в основном пишут специфические программы, например для цифровой обработки сигналов, или когда высокоуровневые языки уже не справляются:
Но даже в этих случаях основную часть программы пишут на C или C++, а код ассемблера встраивают с помощью механизма asm. С другой стороны, в некоторых системах код на С работает слишком медленно и переписать его на ассемблере может быть вполне практичным решением.
«Пока в России не запретили квадрокоптеры, я собирал многовинтовые летательные аппараты. Мне пришлось с нуля писать софт на ассемблере для управления периферическим оборудованием. Оно подключается к основному контроллеру коптера. Аналогов не было — они появились позже, у производителей беспилотников типа DJI.
Сначала я писал весь софт на С, но код работал медленно и непредсказуемо. Тогда решил программировать на ассемблере. В общем, сейчас на ассемблере пишут ПО для встроенных систем, носимой электроники, драйверов устройств — когда нужно обеспечить идеальную точность и скорость работы с микропроцессором. Микропроцессоры „думают“ на языке, очень похожем на ассемблер».
Василий Сысоев,
ведущий разработчик в ООО «Встроенные системы»
«Есть несколько случаев, когда оптимизированный вручную язык ассемблера будет эффективнее языка ассемблера, сгенерированного компилятором из исходного кода C. Да и разработчику, привыкшему к ассемблеру, некоторые вещи проще написать на нём. В этих случаях многие компиляторы C допускают встроенную сборку.
Но компиляторы C становятся всё лучше, так что ручная оптимизация почти не нужна. А ещё большинство платформ налагает ограничения на некоторые низкоуровневые программы».
«Сейчас на ассемблере пишут специфичные команды процессора, которые не поддерживаются языком C. Но это уже редкость».
Алан Меллор,
бывший старший разработчик на С в Siemens
Погружение в ассемблер. Делаем первые шаги в освоении асма
Содержание статьи
От редакции
В 2017 году мы опубликовали первую статью из планировавшегося цикла про ассемблер x86. Материал имел огромный успех, однако, к нашему стыду, так и остался единственным. Прошло два с половиной года, и теперь за дело берется новый автор. В честь этого мы делаем прошлую статью бесплатной, а Антона Карева попросили пропустить введение и без оглядки нырять в практику.
Читай далее:
Готовимся к работе
Я буду исходить из того, что ты уже знаком с программированием — знаешь какой-нибудь из языков высокого уровня (С, PHP, Java, JavaScript и тому подобные), тебе доводилось в них работать с шестнадцатеричными числами, плюс ты умеешь пользоваться командной строкой под Windows, Linux или macOS.
Если наборы инструкций у процессоров разные, то на каком учить ассемблер лучше всего?
Знаешь, что такое 8088? Это дедушка всех компьютерных процессоров! Причем живой дедушка. Я бы даже сказал — бессмертный и бессменный. Если с твоего процессора, будь то Ryzen, Core i9 или еще какой-то, отколупать все примочки, налепленные туда под влиянием технологического прогресса, то останется старый добрый 8088.
SGX-анклавы, MMX, 512-битные SIMD-регистры и другие новшества приходят и уходят. Но дедушка 8088 остается неизменным. Подружись сначала с ним. После этого ты легко разберешься с любой примочкой своего процессора.
Больше того, когда ты начинаешь с начала — то есть сперва выучиваешь классический набор инструкций 8088 и только потом постепенно знакомишься с современными фичами, — ты в какой-то миг начинаешь видеть нестандартные способы применения этих самых фич. Смотри, например, что я сделал с SGX-анклавами и SIMD-регистрами.
Что и как процессор делает после того, как ты запускаешь программу
После того как ты запустил софтину и ОС загрузила ее в оперативную память, процессор нацеливается на первый байт твоей программы. Вычленяет оттуда инструкцию и выполняет ее, а выполнив, переходит к следующей. И так до конца программы.
Некоторые инструкции занимают один байт памяти, другие два, три или больше. Они выглядят как-то так:
Хотя погоди! Только машина может понять такое. Поэтому много лет назад программисты придумали более гуманный способ общения с компьютером: создали ассемблер.
Благодаря ассемблеру ты теперь вместо того, чтобы танцевать с бубном вокруг шестнадцатеричных чисел, можешь те же самые инструкции писать в мнемонике:
Согласись, такое читать куда легче. Хотя, с другой стороны, если ты видишь ассемблерный код впервые, такая мнемоника для тебя, скорее всего, тоже непонятна. Но мы сейчас это исправим.
Продолжение доступно только участникам
Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте
Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее