7. Язык Ассемблера

7.1. Понятие о языке Ассемблера

Наличие большого количества форматов данных и команд в современных ЭВМ приводит к существенным трудностям при программировании на машинном языке. Для упрощения процесса написания программ для ЭВМ был разработан язык-посредник, названный Ассемблером, который, с одной стороны, должен быть машинно-ориентированным (допускать написание любых машинных программ), а с другой стороны – позволять автоматизировать процесс составления программ в машинном коде. Для перевода с языка Ассемблера на язык машины используется специальная программа-переводчик, также называемаяАссемблером(от английского слова “assembler” – “сборщик”). В зависимости от контекста, в разных случаях под словом "Ассемблер" будет пониматься или язык программирования, или программа-переводчик с этого языка на язык машины.

В нашем курсе мы не будем рассматривать все особенности языка Ассемблера, для этого надо обязательно изучить хотя бы один из учебников [5–8]. Заметим также, что для целей изучения архитектуры ЭВМ нам понадобится только некоторое достаточно небольшое подмножество языка Ассемблера, только оно и будет использоваться на наших лекциях.

Рассмотрим, что, например, должна делать программа Ассемблер при переводе с языка Ассемблера на язык машины. ¹

• заменять мнемонические обозначения кодов операций на соответствующие машинные коды операций (например, для нашей учебной машины, ВЧЦ  002);

• автоматически распределять память под хранение переменных, что позволяет программисту не заботиться о конкретном адресе переменной, если ему всё равно, где она будет расположена;

• преобразовывать числа, написанные в программе в различных системах счисления во внутреннее машинное представление (в машинную систему счисления).

В конкретном Ассемблере обычно существуют много дополнительных возможностей для более удобного написания программ, однако при этом должны выполняться следующие требования (они вытекают из принципов Фон Неймана):

• возможность помещать в любое определённое программистом место памяти любую команду или любые данные;

• возможность выполнять любые данные как команды и работать с командами, как с данными (например, складывать команды как числа).

7.2. Применение языка Ассемблера

Общеизвестно, что программировать на Ассемблере трудно. Как Вы знаете, сейчас существует много различных языков высокого уровня, которые позволяют затрачивать много меньше усилий при написании программ. Естественно, возникает вопрос, когда у программиста может появиться необходимость использовать Ассемблер при написании программ. В настоящее время можно указать две области, в которых использование языка Ассемблера оправдано, а зачастую и необходимо.

Во-первых, это так называемые машинно-зависимые системные программы, обычно они управляют различными устройствами компьютера (такие программы называются драйверами). В этих системных программах используются специальные машинные команды, которые нет необходимости применять в обычных (или, как говорят прикладных) программах. Эти команды невозможно или весьма затруднительно задать в языке высокого уровня.

Вторая область применения Ассемблера связана с оптимизацией выполнения программ. Очень часто программы-переводчики (компиляторы) с языков высокого уровня дают весьма неэффективную программу на машинном языке. Обычно это касается программ вычислительного характера, в которых большую часть времени выполняется очень небольшой (порядка 3-5%) участок программы (главный цикл). Для решения этой проблемы могут использоваться так называемые многоязыковые системы программирования, которые позволяют записывать части программы на различных языках. Обычно основная часть программы записывается на языке программирования высокого уровня (Фортране, Паскале, С и т.д.), а критические по времени выполнения участки программы – на Ассемблере. Скорость работы всей программы при этом может значительно увеличиться. Часто это единственный способ заставить программу дать результат за приемлемое время.

При дальнейшем изучения архитектуры компьютера нам придётся писать как фрагменты, так и полные программы на машинном языке. Для написания этих программ мы будем использовать одну из версий языка Ассемблера, так называемый Макроассемблер версии 4.0 (MASM-4.0). Достаточно полное описание этого языка приведено в учебнике [5], изучения этого учебника (или аналогичных учебников по языку Ассемблера [6-8]) являетсяобязательнымдля хорошего понимания материала по нашему курсу. На лекциях мы подробно будем изучать только те особенности и тонкие свойства языка Ассемблера, которые недостаточно полно описаны в указанных учебниках.

Изучение языка Ассемблера начнём с рассмотрения общей структуры программы на этом языке. Программа на языке Ассемблера состоит из одного или более независимых модулей. В каком смысле модуль являетсянезависимойединицей языка Ассемблер, мы выясним несколько позже, когда будем изучать тему "Модульное программирование". Наши первые программы будут содержать всего один модуль, но позже будут рассмотрены и многомодульные программы.

Каждый модуль обычно содержит описание одного или нескольких сегментовпамяти. Напомним, что в нашей архитектуре для работы программы каждая команда и каждое данное должны располагаться в каких-либо сегментах памяти. Как мы уже знаем, в младшей модели нашего семейства ЭВМ в каждый момент времени определены четыреактивных(илитекущих) сегмента памяти, на которые указывают соответствующие сегментные регистрыCS,DS,SSиES.

Таким образом, перед непосредственной работой с содержимым любого сегмента требуется установить на его начало определённый сегментный регистр, до этого нельзя ни писать в этот сегмент, ни читать из него. С другими сегментами, кроме этих четырёх текущих (если они есть в программе), работать в этот момент нельзя, при необходимости доступа к ним нужно менять (перезагружать) содержимое соответствующих сегментных регистров.

Стоит заметить, что сегменты могут перекрываться в памяти ЭВМ и даже полностью совпадать (накладываться друг на друга). Однако максимальный размер сегмента в младшей модели нашего семейства ЭВМ равен 64К, и, если сегменты будут перекрываться, то одновременно для работы будет доступно меньшее количество оперативной памяти. Заметим, что пересечение сегментов никак не влияет на логику работы центрального процессора.¹

В соответствии с принципом фон Неймана, мы имеем право размещать в любом из сегментов памяти как числа, так и команды. Но такой подход ведёт к плохому стилю программирования, программа перестаёт легко читаться и пониматься программистами. Будем поэтому стараться размещать команды программы в одним сегментах, а данные – в других. Весьма редко программисту будет выгодно размещать данные среди команд, один такой случай будет рассмотрен позже в нашем курсе.

На текущий сегмент команд должен указывать регистр CS, а на сегмент данных – регистрDS. Дело в том, что эти регистрыспециализированные. В частности, устройство управления может выбирать команды для выполнениятолькоиз сегмента, на который указывает регистрCS. Производить арифметические операции можно над числами из любого сегмента, однако в соответствии с принципомумолчаниявсе переменные, если прямо не указано противное, сегментируются по региструDS. Явное указание необходимости выбирать аргументы команды по другому сегментному регистру увеличивает длину команды на один байт (перед такой командой вставляется специальная однобайтная команда, которая называетсяпрефиксом сегмента).

Итак, модуль состоит из описаний сегментов. В сегментах находятся все команды и области памяти, используемые для хранения переменных. Вне сегментов могут располагаться только так называемые директивыязыка Ассемблер, о которых мы будем говорить немного ниже. Пока лишь отметим, что чаще всего директивы не определяют в программе ни команд, ни переменных (поймите, что именно поэтому они и могут стоятьвне сегментов).¹

Описание каждого сегмента, в свою очередь, состоит из предложений(statement) языка Ассемблера. Каждое предложение языка Ассемблера занимает отдельную строчку программы, исключение из этого правила будет отмечено особо. Далее рассмотрим различные классы предложений Ассемблера.