Код. Тайный язык информатики - Чарльз Петцольд

Итак, у нас есть текстовый файл, содержащий семь строк текста. Теперь его нужно ассемблировать, то есть преобразовать в машинный код. Раньше мы делали это вручную. Однако теперь можем использовать предусмотренную в CP/M специально для этой цели программу-ассемблер ASM.COM. Она запускается из командной строки CP/M следующим образом.

ASM PROGRAM1.ASM

Программа ASM просматривает файл PROGRAM1.ASM и создает новый файл с именем PROGRAM1.COM, который содержит машинный код, соответствующий написанным нами на языке ассемблера командам. (Этот процесс включает еще один этап, однако он не имеет особого значения в описываемом примере.) Теперь вы можете запустить файл PROGRAM1.COM из командной строки CP/M. На экране отобразится текст Hello! — и все закончится.

Файл PROGRAM1.COM содержит следующие 16 байт.

11 09 01 OE09 CD05 00 C9 48 65 6C6C6F 21 24

Первые три байта — инструкция LXI, следующие два байта — инструкция MVI, следующие три байта — инструкция CALL, следующий байт — инструкция RET. Последние семь байт — это ASCII-коды, соответствующие пяти буквам слова Hello, восклицательному знаку и значку доллара.

Действия ассемблера, такого как ASM.COM, сводятся к чтению ассемблерной программы, часто называемой файлом с исходным кодом, и написанию исполняемого файла, содержащего машинный код. По большому счету ассемблеры довольно простые программы, поскольку между мнемоническими ассемблерными обозначениями команд и машинным кодом существует взаимно-однозначное соответствие. Ассемблер разделяет каждую текстовую строку на мнемокоды команд и аргументы, а затем сравнивает их с содержащимся в нем списком всех возможных мнемокодов и аргументов. Это сравнение показывает, какие машинные инструкции соответствуют каждой команде.

Обратите внимание на то, как ассемблер «понимает», что инструкция LXI должна сохранить в паре регистров DE адрес 0109h. Если сама инструкция LXI находится по адресу 0100h (а она там и находится, когда система CP/M загружает программу в память для последующего запуска), адрес 0109h соответствует началу текстовой строки. Обычно программисту, использующему ассемблер, не нужно беспокоиться о конкретных адресах, связанных с различными частями программы.

Создателю первого ассемблера, разумеется, пришлось вручную преобразовывать программу в машинный код. Человек, пишущий новый (возможно, улучшенный) ассемблер для того же компьютера, может воспользоваться языком ассемблера, чтобы затем преобразовать первый ассемблер. Как только новый ассемблер будет превращен в машинный код, он сможет ассемблироваться.

С выходом нового микропроцессора возникает необходимость в новом ассемблере. Однако новый ассемблер можно написать на существующем компьютере, используя его же транслятор. Когда ассемблер, работающий на компьютере А, создает код, который выполняется на компьютере Б, он называется кросс-ассемблером.

Несмотря на то что ассемблер избавляет от необходимости решать наименее творческие задачи программирования (вручную преобразовывать программу в машинный код), он не решает двух основных проблем, связанных с этим языком. Возможно, вы уже догадались, что первая проблема в том, что все действия с ассемблером могут быть крайне утомительными, поскольку вам приходится работать на уровне микропроцессора и беспокоиться о каждой мелочи.

Вторая проблема: написанные на языке ассемблера программы не являются переносимыми. Если вы пишете ассемблерную программу для микропроцессора Intel 8080, она не подойдет для микропроцессора Motorola 6800. Вам придется переписать ее на языке ассемблера 6800. Вероятно, это будет не так сложно по сравнению с написанием исходной программы, поскольку вы уже решили основные организационные и алгоритмические задачи. Однако это все равно потребует серьезных действий.

В предыдущей главе я говорил, что в современные микропроцессоры встроены машинные инструкции, выполняющие арифметические операции над числами с плавающей точкой. Это, безусловно, удобно, но это мало что дает. Предпочтительнее было бы полностью отказаться от машинно-зависимых инструкций, которые производят отдельные элементарные арифметические операции, а вместо этого выражать множество математических операций, используя проверенную временем алгебраическую форму записи. Например:

A × sin (2 × π + B) / C,

где A, B и C — числа, а число π равно 3,14159.

Почему бы и нет? Если такое выражение записано в текстовом файле, у вас должна быть возможность написать ассемблерную программу, которая читает этот текстовый файл и преобразует алгебраическое выражение в машинный код.

Если бы вам требовалось вычислить значение этого алгебраического выражения только один раз, вы могли бы сделать это вручную или с помощью калькулятора. Вероятно, вы собираетесь использовать компьютер, поскольку вам необходимо вычислить значение этого выражения при многих различных значениях A, B и C. По этой причине вы также должны предусмотреть для данного алгебраического выражения некоторый контекст, позволяющий вычислять его значение при разных коэффициентах.

То, к созданию чего вы приблизились, называется высокоуровневым языком программирования. Язык ассемблера считается низкоуровневым, поскольку взаимодействует непосредственно с аппаратным обеспечением. Несмотря на то что термин «язык высокого уровня» используется для описания любого языка программирования, отличного от языка ассемблера, некоторые языки считаются более высокоуровневыми по сравнению с другими. Если бы вы, будучи президентом компании, могли бы сесть за компьютер и ввести команду (еще лучше просто положить ноги на стол и продиктовать): «Рассчитать все прибыли и убытки за этот год, написать годовой отчет, распечатать несколько тысяч копий и разослать всем нашим акционерам», это бы означало, что вы работаете с языком очень высокого уровня! В реальном мире языки программирования даже не приближаются к идеалу.

Человеческие языки — это сотни и тысячи лет сложных взаимодействий, случайных изменений и приспособлений. Даже в основе таких искусственных языков, как эсперанто, лежит реальный язык. Однако компьютерные языки высокого уровня — результат более целенаправленной работы. Задача изобретения языка программирования интересна для некоторых людей, поскольку язык определяет то, как человек передает инструкции компьютеру. По оценкам, сделанным в 1993 году, с начала 1950-х были изобретены и внедрены более тысячи языков высокого уровня.

Конечно, недостаточно просто создать высокоуровневый язык (что подразумевает разработку синтаксиса, то есть набора правил для составления выражений). Вы обязательно должны написать компилятор — программу, которая преобразует инструкции вашего высокоуровневого языка в машинный код. Подобно ассемблеру, компилятор должен прочитать файл с исходным кодом символ за символом и разбить его на короткие слова, символы и цифры. Тем не менее компилятор намного сложнее, чем ассемблер. Относительная простота последнего обусловлена взаимно-однозначным соответствием между инструкциями на языке ассемблера и машинным кодом. Компилятору обычно приходится преобразовывать одну инструкцию, написанную на языке высокого уровня, во множество машинных. Компиляторы писать нелегко, о чем свидетельствуют множество книг, посвященных их разработке.