Машинный код и ассемблер: программа как числа

Машинный код — это программа в том виде, в каком её исполняет процессор: последовательность чисел, каждое из которых означает команду. Язык ассемблера — запись тех же команд короткими словами, чтобы программу мог прочитать человек. По смыслу это одна и та же программа, только в двух записях.

Все команды М-8

В прошлом уроке учебному процессору М-8 хватило четырёх команд. Всего их у него семь.

Такой список называют системой команд процессора. Четырьмя битами можно записать 16 разных кодов, так что девять кодов у М-8 остались свободными. Команды JUMP и JZ меняют порядок выполнения программы, и о них пойдёт речь в следующем уроке. Здесь нам хватит остальных пяти.

Как закодировать команду

Команда М-8 — это 8 битов: слева четыре бита кода операции, справа четыре бита адреса. Чтобы её закодировать, нужны два шага.

1. Найти код операции в таблице.
2. Записать адрес четырьмя двоичными цифрами и приписать его справа.

Закодируем STORE 15. Код операции STORE — 0100. Адрес 15 в двоичной записи — 1111. Вместе получается 0100 1111.

Восемь битов удобно записывать двумя шестнадцатеричными цифрами, как в уроке Шестнадцатеричная система. У М-8 это выходит особенно наглядно: первая цифра — код операции, вторая — адрес. 0100 — это 4, 1111 — это F, и команда STORE 15 превращается в 4F.

Расшифровка идёт в обратную сторону. Возьмём байт 3E. Первая цифра 3 — это код 0011, команда SUB. Вторая цифра E — это 14. Значит, 3E — команда SUB 14.

Команде HALT адрес не нужен, и на младшие четыре бита процессор не смотрит. Обычно их оставляют нулевыми: 0000 0000, то есть 00.

Программа как столбец байтов

Пусть у героя игры было 7 жизней, на уровне он нашёл ещё 5 и потерял 2. Программа должна вычислить 7 + 5 − 2. Числа положим в ячейки 12, 13 и 14, а для ответа отведём ячейку 15.

Третий столбец и есть машинный код: именно эти биты лежат в памяти. Всю память М-8 можно выписать шестнадцатью байтами подряд. Такую распечатку называют дампом памяти.

адреса 0–7:    1C 2D 3E 4F 00 00 00 00
адреса 8–15:   00 00 00 00 07 05 02 00

Процессор выполнит пять команд и остановится. В дампе изменится только последний байт: вместо 00 там окажется 0A — число 10.

Команда или число?

Посмотрите на байт 1C в ячейке 0. Как команда он означает LOAD 12. Но те же биты 0001 1100 — это ещё и число 28. Так что же там лежит?

И то и другое. В ячейке нет пометки «я команда» или «я число». Всё решает то, каким путём процессор до неё добрался:

• если адрес ячейки пришёл из счётчика команд, её содержимое попадает в регистр команды и выполняется;
• если адрес указан в команде LOAD, ADD или SUB, содержимое считается числом и идёт в аккумулятор или в АЛУ.

Отсюда берётся частая ошибка. Если забыть HALT, процессор после последней команды не остановится, а возьмёт следующую ячейку. Окажись в ней число 28 — он послушно выполнит LOAD 12. Выручает то, что код HALT состоит из нулей: пустая ячейка 00 для М-8 означает остановку. Как HALT читаются и все числа от 0 до 15, потому что их старшие четыре бита нулевые.

Ассемблер: слова вместо кодов

Писать программу сразу байтами тяжело: коды приходится держать в голове, а в строке 1C 2D 3E 4F ошибку не разглядеть. Поэтому команды записывают словами: LOAD, ADD, SUB. Такие сокращения называют мнемониками, а язык, в котором каждая строка — одна команда процессора, — языком ассемблера. Второй столбец нашей таблицы — это программа на языке ассемблера для М-8.

Процессор мнемоник не понимает. Но перевести их в машинный код — работа механическая: заменить слово кодом из таблицы и приписать адрес. Её поручают программе, которую тоже называют ассемблером. Первые такие программы появились ещё в конце 1940-х годов.

У каждого процессора свой машинный код

Таблицу команд М-8 придумали мы, и никакой другой процессор о ней не знает. У настоящих процессоров всё устроено так же, только команд у них не семь, а сотни: умножение, сдвиги, сравнения, действия с несколькими регистрами.

Самые известные семейства — x86 и ARM. Процессоры x86 выпускают компании Intel и AMD, они стоят во многих настольных компьютерах и ноутбуках. Процессоры ARM работают почти во всех смартфонах. Системы команд у этих семейств разные: отличаются и сами команды, и их коды.

Поэтому программа в машинном коде привязана к своему процессору. Байты, которые для x86 складываются в осмысленные команды, процессор ARM прочитает по своей таблице и получит бессмыслицу. И дамп 1C 2D 3E 4F — программа только для М-8.

Частые ошибки

• Путают адрес и число. LOAD 12 кладёт в A не число 12, а то, что лежит в ячейке 12.
• Записывают адрес десятичными цифрами. LOAD 12 — это 1C, а не 112: адрес занимает ровно одну шестнадцатеричную цифру.
• Считают, что ассемблер один на всех. У каждого семейства процессоров свой язык ассемблера, потому что свои команды.
• Забывают HALT. Без него процессор продолжит выполнять то, что лежит дальше, даже если это данные.

Коротко

• Машинный код — программа в виде чисел, которые процессор выполняет как команды.
• Команда М-8 занимает один байт: первая шестнадцатеричная цифра — код операции, вторая — адрес.
• Байт сам по себе не команда и не число: командой его делает то, что он прочитан по адресу из счётчика команд.
• Язык ассемблера записывает команды мнемониками, а программа-ассемблер переводит их в машинный код.
• У разных процессоров разные системы команд, поэтому машинный код одного не подходит другому.

Все наши программы шли по ячейкам строго подряд. Как заставить процессор вернуться назад или перескочить через несколько команд — в уроке Переходы, условия и циклы.