Машинный код (платформенно-ориентированный код), машинный язык — система команд (набор кодов операций) конкретной вычислительной машины, которая интерпретируется непосредственно процессором или микропрограммами этой вычислительной машины. [1]
Каждая инструкция выполняет определённое (обычное элементарное) действие, такое как операция с данными (например, сложение или копирование; 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). Каждая исполнимая программа состоит из последовательности таких атомарных инструкций.
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 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]
Надо ли знать программисту: историю ЭВМ, машинный код, уметь работать с низкоуровневыми языками?
Программы на интерпретируемых языках (таких как Бейсик или Python) не транслируются в машинный код, вместо этого они либо исполняются непосредственно интерпретатором, либо транслируются в псевдокод (байт-код). Однако интерпретаторы этих языков (которые сами можно рассматривать как процессоры) как правило представлены в машинном коде.
Раньше процессоры просто выполняли инструкции одну за другой, но новые суперскалярные процессоры способны выполнять несколько инструкций за раз.
Также инструкции бывают постоянной длины (у RISC-, MISC-архитектур) и диапазонной (у CISC-архитектур; например, для архитектуры x86 команда имеет длину от 8 до 120 битов).
Микрокод
В некоторых компьютерных архитектурах поддержка машинного кода реализуется ещё более низкоуровневым слоем программ, называемых микропрограммами, что позволяет обеспечить единый интерфейс машинного языка у всей линейки или семейства компьютеров, которые могут иметь значительные структурные отличие между собой. Это делается для облегчения переноса программ в машинном коде между разными моделями компьютеров. Примером этого 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.
Классификация языков программирования по поколениям и уровням. Что такое машинный код и ассемблер
Абсолютный и позиционно-независимый код
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.
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:
Исходный код на BCPL:
В более новых версиях OCODE добавилась поддержка чисел с плавающей точкой (соответственно, набор поддерживаемых опкодов почти удвоился), а также удалили опкод ENDFOR — вместо него генерируется пара LE JT .
— а отдельная программа, кодогенератор, превращала файл с таким псевдокодом в исполнимую программу для конечного процессора. OCODE сохранялся в виде текстового файла из десятичных чисел, разделённых пробелами и переводами строк: в то время, когда OCODE разрабатывался, привязка формата файла к конкретному размеру байта ограничивала бы переносимость такого файла.
- Вручную написать интерпретатор псевдокода (2) (на любом языке, хоть на Бейсике);
- Адаптировать кодогенератор, (3) написанный на BCPL, для своей платформы;
- Запустить под интерпретатором (2) компилятор BCPL (1), скормить ему кодогенератор (3), и получить на выходе исполнимый файл кодогенератора (4) ;
- Интерпретатор (2) нам с этого момента больше не нужен.
- Прогнать через кодогенератор (4) псевдокод компилятора (1), и получить на выходе исполнимый файл компилятора.
Такой подход означал, что для переноса компилятора на новую платформу требуется лишь самый минимум низкоуровневого программирования; и действительно, реализация BCPL была завершена к 1967 г. — раньше, чем была завершена реализация CPL, начатая на несколько лет раньше!
- Ускорение программной реализации (JIT-компиляция в JDK 1.1, 1997 г.)
- Попытки аппаратной реализации:
-
(1998) (1999) (2000) (2000) (2001)
Байткод ещё в большей степени, чем p-код Вирта, спроектирован быть компактным: например, iflt (сравнение с нулём и условный переход) соответствует тройке инструкций SLDC 0; GEQI; FJP , а iinc заменяет четыре инструкции SLDL; SLDC; ADI; STL .
Обратите внимание, насколько такой код компактнее, чем в любом из предшествующих примеров.
Регистр P — указатель стека; на входе в функцию P[3] содержит указатель на массив, P[4] — его длину.
Этот код получен при помощи свежей (2014) версии BCPL Cintcode System из приведённой выше реализации на BCPL. Компактности такого кода способствует наличие в Cintcode инструкций двойного присваивания (регистрам A и B сразу) и двойного разыменования (адрес данного получается сложением регистра A и значения в стеке).
Настоящее
Код разбит на базовые блоки (BB), каждый из которых начинается с метки и завершается инструкцией перехода (условного или безусловного). В середине BB метки и инструкции перехода запрещены. Точка — допустимый символ в названиях переменных и меток. Компилятор перечисляет в комментарии в первой строке BB всех его предшественников, т.е. все BB, которые завершаются переходом на данный.
Приведённый выше пример машинного кода IA-32 получен при помощи LLVM из этого же самого IR — поэтому, в частности, названия меток в обоих листингах совпадают, хотя порядок BB и изменён.
!tbaa !1 — ссылка на относящиеся к массиву метаданные для alias analysis; !range !5 — ссылка на его же метаданные о возможном диапазоне значений (для bool — 0 либо 1).
Исходный код на C++:
Казалось бы: чем PNaCl-приложения лучше Java-аплетов, придуманных на пятнадцать лет раньше для точно такой же цели — создания кроссплатформенных, полнофункциональных веб-приложений? (КДПВ в начале этого топика как раз в тему.) Мне известны два преимущества PNaCl: во-первых, LLVM-IR, по сравнению со стековым байткодом Java, упрощает оптимизацию кода, когда браузер транслирует PNaCl-приложение в машинный код конкретной целевой платформы. Второй и, насколько я понимаю, основной аргумент — открытость и лицензионная чистота LLVM: по поводу поддержки Java её хозяева (Sun и затем Oracle) судились было с каждым встречным, и в том числе с Google. LLVM и его IR, напротив, полностью открыты; и с одной стороны, Google бесплатно получает в компиляторах в свой PNaCl всякие плюшки и новые оптимизации, реализованные другими участниками разработки LLVM; с другой стороны, любые другие разработчики вправе добавить в свои браузеры поддержку PNaCl-приложений и не бояться судебных исков.
Пока что желающих последовать примеру Google и реализовать поддержку PNaCl не было. Напротив: Mozilla для той же самой цели — создания кроссплатформенных, полнофункциональных веб-приложений — разработала свою собственную уни-ISA под названием asm.js (2013). Генерация asm.js была реализована в виде нового бэкенда для LLVM. Работа над asm.js и PNaCl шла практически одновременно, и в Google Chrome поддержка asm.js появилась даже раньше, чем поддержка PNaCl — с версии 28 (2013).
Тот же самый код на C++, что и выше, после компиляции при помощи Emscripten:
Будущее
Тот же самый код на C++, что и выше, скомпилированный в WebAssembly при помощи последней версии LLVM:
Названия меток совпадают с листингом LLVM-IR и машинного кода IA-32, потому что компилятор тот же самый; генерировать байткод на WebAssembly он пока не умеет, только ассемблерный листинг.
Впрочем, все эти рассуждения опираются на то, что WebAssembly приживётся, а не будет заброшен через пару лет, как PNaCl, и не обособится в отдельную нишу, как Java и MSIL.
Машинный язык (двоичный код, машинный тип) — это система инструкций и данных, непосредственно выполняемых центральным процессором в компьютере.
Машинный язык является примитивным языком программирования. Это также самое основное представление, или компьютерные программы , скомпилированные и / или собранные на самом низком уровне — машины уровня (от англ. Machine, иногда неформальный термин для устройства, машины, транспортного средства — в нашем случае компьютер). Машинный язык иногда называют выходец ( англо. Native кода ) при обращении к конкретному приложению аппаратных средств, то есть когда части кода или выражения зависят от платформы.
Компьютеры и их мозги — процессоры — работают на электричестве . Это электронные схемы, работа которых основана на состояниях напряжения; состояние с напряжением и состояние (почти) без напряжения. Машинный язык или его двоичный код — система 1 и 0 — напрямую соответствуют состояниям напряжения в интегральной схеме .
- Языки низкого уровня (машинные коды и ассемблер)
- Средний уровень ( C, Фортран …. )
- Высокий уровень (C++, Java, Python, Ruby, JavaScript . )
Машинные языки (Самый низкий уровень)
Некоторые работают с большой скоростью (красные стрелки): процессор черпает из памяти команды и манипулирует данными, видеокарта – особенно в 3D играх, потребляет огромные объёмы текстур, фигур, координат пикселей и прочих объектов для построения изображения на экране монитора. Другим (в силу ограничения скорости обмена информацией) столь высокие показатели и не нужны. Разнообразные внутренние и внешние устройства подключены на схеме зелёными стрелками.
Внутренний мир процессора
- Мы полностью хозяева положения, имеем самые широкие возможности использования процессора и аппаратуры компьютера.
- Для нас доступны все варианты организации и оптимизации кода.
- Необходимо обладать обширными знаниями по функционированию процессоров и учитывать большое количество аппаратных факторов при выполнении кода.
- Создание программ чуть более сложных чем приведенный пример приводит к резким увеличениям затрат времени по написанию кода и его отладку.
- Платформозависимость: программа, созданная для одного процессора, как правило, не будет функционировать на других. Возможно, и для данного процессора, в остальных режимах его работы, потребуется редактирование кода.
Язык ассемблера (низкий уровень)
- Сопоставим группам цифровых инструкций процессора, выполняющих соответствующие действия, одну символьную команду.
- Выделим аргументы инструкций процессора отдельно.
- Введем возможность именовать области памяти, переменные, местоположение отдельных команд.
- Процесс написания и модификации кода упростился.
- Сохранился контроль ко всем ресурсам аппаратуры.
- Относительно легче переносить программу на другие платформы, но требуется их модификация в зависимости от аппаратной совместимости.
- Ассемблер относится к низкоуровневым языкам программирования. Создание даже небольших участков кода затруднено. К тому же также необходимо учитывать специфику работы аппаратуры.
- Платформозависимость.
Языки группы C/Фортран (средний/высокий уровень)
- Упрощение процесса создания кода: введение типов, разбивка на модули, сокращение листинга программ.
- Прозрачная логика заложенного алгоритма вследствие ухода от машинных кодов к более понятным для человека командам в семантически описательном стиле.
- Переносимость. Стало достаточно перекомпилировать текст программы для выполнения на другой платформе (возможно, с небольшой модификацией).
- Скорость откомпилированных программ.
- Отсутствие автоматического управления памятью и необходимость постоянного её контроля.
- Отсутствие реализации концепций объектно-ориентированного и функционального программирования.
Развитие языков высокого уровня
Дальнейший прогресс
- Для тестирования нам необходимы только аргументы функций (результат работы не зависит от внешних переменных и т. п.).
- Программа в функциональном стиле чудесным образом готова к параллельной работе: последовательные вызовы функций можно пускать в соседних потоках (так как на них не действуют внешние факторы) и им не нужны блокировки (то есть, проблемы синхронизации отсутствуют). Хороший стимул уделить время этой теме, учитывая повальное распространение многоядерных процессоров.
Заключение
В настоящее время самые распространённые – языки ООП. Java, с момента возникновения, всегда находится в топе, обычно в тройке, востребованных языков. Помимо ООП, содержит элементы функционального программирования, и вы можете комбинировать разные стили составления ваших программ. Спектр применения Java весьма широк – это бизнес задачи, реализация веб-серверов (backend), основной язык создания Android-приложений, кроссплатформенные среды программирования и рабочих мест (IDE/АРМ) и моделирования и многое другое. Особенно сильны позиции Java в Enterprise секторе – области корпоративного программного обеспечения, которая требует качественный и долгоживущий код, реализацию самых сложных бизнес-логик.
- Гипнотическое манипулирование сознанием кратко
- Завоевательные походы древней греции кратко
- Мнение историков о екатерине 2 кратко
- Государственный бюджет это кратко
- Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами кратко
Источник: obrazovanie-gid.ru
Языки программирования. Трансляция в машинный код. Ассемблеры, компиляторы и интерпретаторы.
Язык программирования — искусственный язык, в высокой степени формализованный, на котором могут быть написаны программы. Ориентированы на людей (приближены к естественному языку).
Машинный язык — единственный язык, который непосредственно принимается аппаратным обеспечением вычислительных машин.
Транслятор – программное (почти всегда) решение, предназначенное для перевода программы с языка программирования на другой язык (в т.ч. Машинный).
Трансляторы:
Ассемблеры — трансляторы которые преобразуют код на языке низкого уровня в машинный код (тривиальное преобразование).
Компиляторы — трансляторы которые преобразуют код на языке высокого уровня в машинный код (не тривиальное преобразование).
Интерпретаторы – трансляторы которые используют виртуальную машину, способную выполнять инструкции языка более высокого уровня, нежели чем машинный.
Препроцессоры — трансляторы которые преобразуют код на языке высокого уровня в код на другом языке высокого уровня (обычно С).
Ассемблер:
1. Символьные коды — инструкции представлены не двоичном кодом, а символьным кодом (3-5 латинских букв). Переводятся в машинный код простой заменой символьного кода – двоичным.
2. Метки — можно помечать (именовать) адрес в памяти и обращаться к нему по этому имени. Это НЕ переменные!
3. Макрокоманды (макросы) – команды, соответствующие целому набору машинных инструкций, которые используются последовательно (чтение символа с клавиатуры).
4. Директивы — команды, которые не переводятся напрямую в машинный код, но выполняются ассемблером (создание меток, инициализация областей памяти и др). Всего около 20-30.
Компиляторы:
1. Абстрактные команды — команды языка не соответствуют однозначно машинным инструкциям. Компилятор решает когда и какие инструкции лучше применить.
2. Переменные – логически разделяет для программиста команды и данные в памяти. Позволяет именовать данные (объявлять переменные). Самостоятельно распоряжается памятью.
3. Сложные абстрактные структуры – поддерживает классы, объекты, функции, процедуры.
4. Анализирует текст программы — осуществляет лексический (корректность написания ключевых слов), синтаксический (корректность используемых языковых конструкций), семантический (наличие смысла в корректных конструкциях).
Интерпретаторы:
Виртуальная машина — средство имитации на программном уровне реальной вычислительной машины другой машины (её аппаратного и программного уровней).
Интерпретаторы – виртуальные машины, которые могут воспринимать не только аппаратно зависимый машинный язык, но и «виртуальные» аппаратно независимые языки.
1. Шитый код – виртуальная машина читает команду на языке программирования и вызывает соответствующую ей короткую, но полноценную предварительно скомпилированную программу.
2. Прокси код — транслирует программу в как-бы машинный код, ориентированный на выполнение абстрактным «универсальным процессором». Виртуальная машина имитирует этот процессор.
ВОПРОС
Прикладное программное обеспечение (классификация и примеры). Права на ПО.
Пользовательское (общее) прикладное ПО:
«Ширпотреб». ПО для предельно широкого круга пользователей.
• Текстовые редакторы
• Офисные пакеты (отчасти, это профессональное)
• Графические редакторы
• Браузеры (в т.ч. текстовые) – html, pdf, fb2, djvu
• Мультимедиа проигрыватели
• Почтовые клиенты
• Видеоигры
Специальное прикладное ПО:
ПО для профессиональной деятельности
• Офисные пакеты
• Фоторедакторы
• Издательское ПО
• Системы управления базами данных
• CAT (Computer Aided Translation)
• CAD (Computer Aided Design)
• CAM (Computer Aided Manufacturing)
• Медиаредакторы
• ГИС (геоинформационные системы)
• Системы автоматизации делопроизводства
Права на ПО:
n ПО является объектом авторского права и соответствующих имущественных прав.
n Авторское право – фундаментально, бессрочно, неотчуждаемо (т.н. личные неимущественные права)
I. Право называться автором.
II. Право ассоциировать произведение со своим именем (псевдонимом).
III. Право на защиту произведение от искажения или иного посягательства.
IV. Для использования (легального) ПО необходимо иметь специальное разрешение от правообладателя.
V. Правоиспользования (не эксклюзивное право владения) передаётся пользователю на основании лицензионного соглашения.
VI. Лицензионное соглашение – юридический договор который определяет права и обязанности сторон (прежде всего пользователя).
VII. Несанкционированное использование (без заключения договора) или его несоблюдение – могут иметь юридические последствия.
ВОПРОС
Источник: infopedia.su
Что такое ассемблер: где используется и актуален ли этот язык программирования в 2023 году
Язык ассемблера (от англ. assembly language) — это императивный язык низкого уровня, который используется для представления команд CPU. При этом команды процессора остаются читабельными для программиста. Под термином «ассемблер» также может подразумеваться ПО, которое преобразует соответствующий исходный код в машинный код. Обратный процесс (конвертация машинного кода в ассемблер-код) выполняет дизассемблер.
Простыми словами, язык ассемблера — это низкоуровневый язык, позволяющий программисту обращаться непосредственно к процессору машины.
Как работает язык ассемблера
Это самый низкоуровневый человекочитаемый язык программирования. Сегодня он используется для точного управления процессором и памятью на «голом» железе. Важно отметить: нет единого языка ассемблера. Существует множество таких языков.
Языки разнятся в зависимости от архитектуры, на которой функционирует машина (например, x86, x32, ARM или PowerPC).
Assembly language позволяет работать с читаемым машинным байт-кодом, который выполняется компьютером напрямую.
Оригинальный assembly language для Motorola MC6800
Процессор и память
Компьютеры состоят из множества аппаратных средств. Самым важным из них является процессор (CPU), который способен выполнять вычисления. Процессор состоит из множества компонентов, например, схем для выполнения основных математических операций (ALU и FPU) и регистров. Регистры можно представить как небольшие ячейки, в которых хранится горстка небольших чисел.
Представление программной модели CPU
Помимо процессора, компьютер имеет и другие компоненты, такие как память (ОЗУ) и устройства ввода-вывода (такие как мышь, клавиатура, монитор и динамики). Для работы с этим оборудованием мы также можем использовать язык ассемблера.
Плашки оперативной памяти DDR4
Проблема в том, что процессор не понимает ассемблер. Слова и буквы типа «mov eax, 5» — ничего не значат для него. CPU понимает только двоичные числа, которые показывают ему то, что он должен делать со своим оборудованием. Это и есть машинный код. И у процессоров разных производителей свой набор таких чисел и команд.
Как это работает
Представьте, что у нас простой компьютер: он считывает три числа за один раз и далее решает, что делать. Первое прочитанное число — может сказать процессору, какую команду нужно выполнить. Например,
- 0 — сложить два числа вместе, используя аппаратное обеспечение ALU.
- 1 — поместить некоторое постоянное число в регистр.
- 2 — выполнить следующую команду, только если определенный регистр имеет определенное значение.
- 3 — заставить динамики воспроизвести звуковой сигнал.
- . и так далее.
Следующие два числа, которые считывает компьютер, могут сообщить ему аргументы команды. Например, когда он видит число 0, которое означает «сложить два числа», следующие два числа могут означать, какие именно два регистра компьютер должен сложить. Помните, регистры — это просто маленькие ячейки, в которых хранятся числа. Например:
0 [команда] 3 [первый аргумент] 1 [второй аргумент] — добавить число в регистре №3 к числу в регистре №1 и поместить ответ в специальный регистр №0