Машинный код
Маши́нный кот (платфо́рменно-ориенти́рованный кот), маши́нный язы́к — система команд (набор котов операций) конкретной вычислительной машины, которая интерпретируется непосредственно процессором или микропрограммами этой вычислительной машины.[1]
Компьютерная программа, записанная на машинном языке, состоит из машинных инструкций, каждая из которых представлена в машинном коте в виде т. н. опкота — двоичного кота отдельной операции из системы команд машины. Для удобства программирования вместо числовых опкотов, которые только и понимает процессор, обычно используют их условные буквенные мнемоники. Набор таких мнемоник, вместе с некоторыми дополнительными возможностями, называется языком ассемблера.
Каждая модель процессора имеет свой собственный набор команд, хотя во многих моделях эти наборы команд сильно перекрываются. Говорят, что процессор A совместим с процессором B, если процессор A полностью «понимает» машинный кот процессора B. Если процессоры A и B имеют некоторое подмножество инструкций, по которым они взаимно совместимы, то говорят, что они одной «архитектуры» (имеют одинаковую архитектуру набора команд).
Машинная инструкция
Каждая машинная инструкция выполняет определённое действие, такое как операция с данными (например, сложение или копирование машинного слова в регистре или в памяти) или переход к другому участку кота (изменение порядка исполнения; при этом переход может быть безусловным или условным, зависящим от результатов предыдущих инструкций). Любая исполнимая программа состоит из последовательности таких атомарных машинных операций.
Операции, записываемые в виде одной машинной инструкции, можно разделить на «простые» (элементарные операции) и «сложные». Кроме того, большинство современных процессоров состоит из отдельных «исполнительных устройств» — вычислительных блоков, которые умеют исполнять лишь ограниченный набор простейших операций. При исполнении очередной инструкции специальный блок процессора — декотер — транслирует (декотирует) её в последовательность элементарных операций, понимаемых конкретными исполнительными устройствами.
Архитектура набора команд процессора определяет, какие операции он способен выполнять, и какой машинной инструкции какие числовые коты операций (опкоты) соответствуют. Опкоты бывают постоянной длины (у RISC-, MISC-архитектур) и диапазонной (у CISC-архитектур; например: для архитектуры x86 команда имеет длину от 8 до 120 битов).
Современные суперскалярные процессоры способны выполнять несколько машинных инструкций за один такт.
Машинный кот как язык программирования
Машинный кот 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 коте, сейчас это делается редко в силу громоздкости кота и трудоёмкости ручного управления ресурсами процессора, за исключением ситуаций, когда требуется экстремальная оптимизация. Поэтому подавляющее большинство программ пишется на языках более высокого уровня и транслируется в машинный кот компиляторами. Машинный кот иногда называют нативным котом (также собственным или родным котом — от англ. native code), когда говорят о платформенно-зависимых частях языка или библиотек.[2]
Программы на интерпретируемых языках (таких как Бейсик или Python) не транслируются в машинный кот; вместо этого они либо исполняются непосредственно интерпретатором языка, либо транслируются в псевдокот (байт-кот). Однако интерпретаторы этих языков (которые сами можно рассматривать как процессоры), как правило, представлены в машинном коте.
Микрокот
В некоторых компьютерных архитектурах поддержка машинного кота реализуется ещё более низкоуровневым слоем программ, называемых микропрограммами. Это позволяет обеспечить единый интерфейс машинного языка у всей линейки или семейства компьютеров, которые могут иметь значительные структурные отличия между собой, и облегчает перенос программ в машинном коте между разными моделями компьютеров. Примером такого подхода 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 микрокота 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.
Абсолютный и позиционно-независимый кот
Абсолютный кот (англ. absolute code) — программный кот, пригодный для прямого выполнения процессором[1], то есть кот, не требующий дополнительной обработки (например, разрешения ссылок между различными частями кота или привязки к адресам в памяти, обычно выполняемой загрузчиком программ). Примерами абсолютного кота являются исполнимые файлы в формате .COM и загрузчик ОС, располагаемый в MBR. Часто абсолютный кот понимается в более узком смысле как позиционно-зависимый кот (то есть кот, привязанный к определённым адресам памяти).
Позиционно-независимый кот (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 кота зависит от архитектуры и системы команд целевой платформы. Например, если во всех инструкциях перехода в системе команд должны указываться абсолютные адреса, то кот, 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 кот со своими ячейками памяти для данных. Кроме того, некоторые ограничения набора команд могут сниматься с помощью самомодифицирующегося кота или нетривиальных последовательностей инструкций.
Программа «Hello, world!»
Программа «Hello, world!» для процессора архитектуры x86 (ОС MS DOS, вывод при помощи BIOS прерывания int 10h) выглядит следующим образом (в шестнадцатеричном представлении):
- 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:
- BB 11 01, B9 0D 00, B4 0E, 8A 07 — команды присвоения значений регистрам.
- 43 — инкремент регистра BX.
- CD 10, CD 20 — вызов программных прерываний 1016 и 2016.
- E2 F9 — команда для организации цикла.
- Малиновым показаны данные (строка «Hello, world!»).
Тот же код ассемблерными командами:
XXXX:0100 mov bx, 0111h ; поместить в bx смещение строки HW XXXX:0103 mov cx, 000Dh ; поместить в cx длину строки HW XXXX:0106 mov ah, 0Eh ; поместить в ah номер функции прерывания 10h XXXX:0108 mov al, [bx] ; поместить в al значение ячейки памяти, адрес которой находится в bx XXXX:010A inc bx ; перейти к следующему байту строки (увеличить смещение на 1) XXXX:010B int 10h ; вызов прерывания 10h XXXX:010D loop 0108 ; если cx≠0, то уменьшить cx на 1 и перейти по адресу 0108 XXXX:010F int 20h ; прерывание 20h: завершить программу XXXX:0111 HW db 'Hello, World!' ; строка, которую требуется напечатать
См. также
Примечания
- ↑ 1 2 3 Толковый словарь по вычислительным системам = Dictionary of Computing / Под ред. В. Иллингуорта и др.: Пер. с англ. А. К. Белоцкого и др.; Под ред. Е. К. Масловского. — М.: Машиностроение, 1990. — 560 с. — 70 000 (доп.) экз. — ISBN 5-217-00617-X (СССР), ISBN 0-19-853913-4 (Великобритания).
- ↑ Kate Gregory. Managed, Unmanaged, Native: What Kind of Code Is This? (28 апреля 2003). Дата обращения: 27 марта 2012. Архивировано 30 мая 2012 года.