Assembly (ohjelmointikieli)

Motorola 6800 8-bittisen mikroprosessorin Assemply-kielellä kirjoitettua koodia.

Assembly on ohjelmointikielten alaluokka ja tarkoittaa symbolisia konekieliä. Tietokoneiden ymmärtämät konekielet koostuvat yleensä binäärimuotoisista käskyistä, jotka voidaan esittää esimerkiksi 1- ja 0-merkkien sarjoina. Symbolinen konekieli on konekielen havainnollisempi ja ihmisläheisempi esitysmuoto, joka määrittelee konekielen käskyille kirjoitetun kielen kaltaisen ulkoasun. Assembly-kielessä on siten lähes sama rakenne ja komennot kuin varsinaisessa konekielessä, mutta tekstimuotoisuus helpottaa ohjelman kirjoittamista ja ymmärtämistä. Lisäksi eri muistiosoitteisiin viitataan assemblyssa usein nimin ja itse muistiosoite voidaan antaa assemblerin määriteltäväksi. Konekieli ja siis myös assembly ovat sidonnaisia tiettyyn suoritinperheeseen.

Assembly-kielinen ohjelma muutetaan konekielelle assembleriksi nimetyllä kääntäjällä. Samaa laiteympäristöä varten voi olla useita eri syntakseja noudattavia assembly-kieliä ja niille omat kääntäjänsä. Assembly-kieliä ovat muun muassa Intel x86 Assembly ja AT&T Assembly, jotka ovat molemmat x86-konekielen symbolisia esitysmuotoja. Sen sijaan esimerkiksi ARM-konekielen kirjoittamiseen käytetään ARM-assemblyä.

Assemblyn käyttökohteet

Assembly antaa ohjelmoijalle täyden määräysvallan suorittimelle syötettävän komentosarjan suhteen, ja siksi sitä käyttämällä voidaan hyödyntää tietokoneen resurssit tehokkaasti. Assemblyä käytettiin kotimikrojen alkuaikoina melko yleisesti. Esimerkiksi MS-DOS-käyttöjärjestelmä, taulukkolaskentaohjelma Lotus 1-2-3 ja lähes kaikki Commodore 64:n sekä Amigan kaupalliset videopelit ohjelmoitiin assemblyllä.

Puhtaan assembly-kielen käyttöä on perinteisesti puoltanut ohjelmakoodin tiiviys verrattuna kääntäjien tuottamaan konekieleen. Etenkin varhaisten tietokoneiden ferriittirengasmuistit, kotitietokoneiden muistit sekä sulautettujen järjestelmien ohjelmamuistit ovat olleet verrattain pieniä ja asettaneet tiukan rajan suoritettavan ohjelman koolle. Assembly-kielellä toteutettuun ohjelmaan voitiin koodata vain sovelluksen tarvitsemat toiminnot, kun taas esimerkiksi FORTRAN- tai Algol-kielellä toteutetut ohjelmat toivat aina mukanaan ylimääräistä koodia; tyypillisesti suoraan assemblyllä toteutettu ohjelma oli noin 1/10 korkean tason kielellä tuotettua ohjelmaa pienempi. Kokoedun takia esimerkiksi kiintolevyn alussa oleva käynnistyskoodi kirjoitetaan nykyäänkin assemblyllä.

Sovellusohjelmien osalta tällainen optimointi ei kuitenkaan yleensä enää ole mielekästä, eikä assemblyä juurikaan käytetä nykyaikaisten, PC:n kaltaisten koneiden eikä myöskään älypuhelinten sovellusohjelmoinnissa. Sovellusohjelmat ovat niin isoja, ettei niitä voi mielekkäästi hallita assembly-tasolla. Suorittimet ovat myös niin tehokkaita, että koodin nopeutuksella saatava hyöty ei yleensä ole vaivan arvoista. Pullonkaulat ovat yleensä muualla, kuten I/O-operaatioiden ja sivutuksen aiheuttamassa viiveessä. Korkean tason ohjelmointikielten kääntäjät ovat myös kehittyneet, ja samalla suorittimet sisäiseltä toiminnaltaan monimutkaistuneet niin, että kääntäjä tuottaa useimmiten tehokkaampaa koodia kuin mitä käsin ohjelmoimalla voisi saada aikaan, varsinkaan kohtuullisella työmäärällä. Lisäksi esimerkiksi tehokkaiden algoritmien ja tietorakenteiden valinta saattaa suurempia kokonaisuuksia assemblyllä koodattaessa jäädä pahasti taka-alalle, koska niiden toteuttaminen voi olla konekielellä liian työlästä.

Sulautettujen järjestelmien ohjelmoinnissa on assemblyllä jonkin verran vahvempi asema kuin PC-koneiden ohjelmoinnissa. Kokonaisia ohjelmia ei silti näillekään järjestelmille ole mielekästä ohjelmoida pelkällä assemblyllä.

Erityistilanteissa assemblyllä on kuitenkin vielä tärkeä asema. Sitä voi tarvita laitteistoläheistä ohjelmointia vaativissa tehtävissä, kuten laiteohjainten kehityksessä. Vielä toisinaan assemblyllä on käyttöä myös tehokkuutta vaativissa sovelluksissa, kuten salauksessa tai videon koodauksessa, kun ohjelman osia optimoidaan. Näissäkin tapauksissa assemblyllä koodataan mahdollisimman pieni osa. Kääntäjän tuottamaa assembly-koodia analysoimalla voidaan löytää keinoja korjata korkeamman tason koodia ja kääntäjälle annettavia ohjeita, kunnes tulos on haluttu. Koodin ymmärtäminen assembly-tasolla on joskus tärkeää myös vianetsinnässä.

Assembly-esimerkkejä

Tekstin tulostaminen MS-DOS -käyttöjärjestelmällä

Alla on esimerkki Assembly-kielisestä ohjelmasta Intelin x86-suvun arkkitehtuureille. Ohjelmakoodissa on käytetty Intelin x86-merkintätapaa. Ohjelma on MS-DOS-käyttöjärjestelmässä suoritettava COM-tyyppinen ohjelma.

1  org 100h
2  section .text  
3
4         mov ah,9h
5         mov dx,offset teksti
6         int 21h
7         ret
8
9 teksti: db 'Hei maailma!$'

Ohjelma kutsuu MS-DOS -käyttöjärjestelmän järjestelmäkutsua, joka tulostaa annetussa muistiosoitteessa olevan tekstin "Hei maailma!".

Rivi 1 määrittelee ohjelman alkuosoitteen segmenttinsä sisällä. Com-tyyppisissä ohjelmissa alkuosoite on aina 100h.

Rivi 2 ilmoittaa kääntäjälle, minkä tyyppistä aineistoa tässä kappaleessa on.

Rivi 4: heksaluku 9 siirretään rekisteriin AH.

Rivi 5: rekisteriin DX siirretään muistipaikan teksti osoite.

Rivi 6: Tulostamiseen käytetään PC:n DOS-käyttöjärjestelmien ohjelmistokeskeytystä 21h (h tarkoittaa heksalukua, luku on desimaalisena 33), jolle halutun toiminnon numero (9) annetaan rekisterissä AH. Rekisterissä DX on muistiosoite, josta haluttu $-merkkiin loppuva teksti alkaa datasegmentin ds sisällä.

Rivi 7: Rutiinin suorittamisen jälkeen palataan pääohjelmaan, mikä onnistuu com-tyyppisessä ohjelmassa pelkällä ret-käskyllä . Muuntyyppisessä ohjelmassa voi olla tarpeen käyttää ohjelmistokeskeytyksen 21h alaista toimintoa 4Ch.

Rivi 9: Tekstiin kuuluvat tavut on määritelty rivillä 9, joten ne alkavat heti ohjelmakoodin viimeisen tavun jälkeen. Tekstin alkuosoitteelle on annettu nimi (osoite) teksti. Lopussa oleva dollarin merkki päättää tulostuksen.

Fibonaccin lukujen laskeminen

Seuraava esimerkki on Fibonaccin lukujen laskija Motorola 68K-suoritinperheelle. Lasketaan $n$:s Fibonaccin luku antamalla $n$ rekisterissä d0. Fibonaccin $n:s$ luku $f_{n}$ lasketaan silmukassa kaavalla: $f_{n}=f_{n-1}+f_{n-2}$, ja $f_{0}=1$ ja $f_{1}=1$.

 1  fibonacci:      cmp.l #1,d0
 2                  bgt.b overone
 3                  moveq #1,d0
 4                  rts
 5  overone:        moveq #1,d1
 6                  moveq #1,d2
 7                  moveq #1,d3
 8  loop:           move.l d2,d4
 9                  add.l  d3,d4
10                  move.l d3,d2
11                  move.l d4,d3
12                  addq.l #1,d1
13                  cmp.l  d0,d1
14                  bne.b  loop
15                  move.l d4,d0
16                  rts

Riveillä 1-4 tarkistetaan, onko d0 $\leq$ 1, ja jos se on, lopetetaan aliohjelma ja palautetaan tuloksena 1. Rivillä 5 asetetaan silmukkalaskuri rekisterissä d1 arvoon 1. Riveillä 6 ja 7 asetetaan rekisterit d2 ja d3 arvoihin $f_{0}$ ja $f_{1}$. Rivillä 8 alkaa silmukka. Rivit 8 ja 9 laskevat seuraavan Fibonaccin luvun rekisteriin d4 summaamalla kaksi edellistä lukua rekistereistä d2 ja d3. Riveillä 10 ja 11 tallennetaan muistiin 2 uusinta Fibonaccin lukua rekistereihin d2 ja d3 seuraavaa kierrosta varten. Rivillä 12 kasvatetaan silmukkalaskuria yhdellä. Riveillä 13 ja 14 vertaillaan silmukkalaskuria ja $n$:ää. Mikäli $n$ on saavutettu, lopetetaan silmukka. Muuten hypätään takaisin riville 8. Rivillä 15 siirretään tulos rekisteristä d4 rekisteriin d0, ja rivillä 16 poistutaan aliohjelmasta.

Esimerkeistä

Esimerkit antavat hyvän kuvan, miksi sovelluksia kehittäessä aikaa kuluu erittäin kauan ja työskentely puhtaalla assemblyllä on hankalaa. Korkeamman tason ohjelmointikielet on luotu helpottamaan tätä työtä, ja kääntäjiä käytetään muuntamaan selkeämpi kieli konekielimuotoon. Konekielet ovat kuitenkin yleensä hyvin suoraviivaisia, ja käskyjen suorittamat toiminnot ovat yksinkertaisia. Tämän vuoksi assembly-ohjelmointi on helppo opetella.

Aiheesta muualla

• (englanniksi) Assembly-opas PC:lle
• (englanniksi) Intel Itanium
• (englanniksi) x86-manuaali Sunilta Solarikselle
• (englanniksi) SPARC-manuaali Sunilta Solarikselle

Assemblereita

• A86
• flat assembler (FASM)
• GNU Assembler (GAS) - osa GNU Binary Utilities -kokoelmaa
• Microsoft Macro Assembler (MASM), Windows-ohjelmointiin
• Borland Turbo Assembler (TASM)
• Wolfware Assembler (WASM)
• Netwide Assembler (NASM)
• Yasm, NASM-yhteensopiva, AMD64-tuki