دستورات زبان اسمبلی چیست؟ — معرفی ساختار کلی زبان اسمبلی

در این مقاله قصد داریم در مورد دستورات زبان اسمبلی «Assembly language instructions» صحبت کنیم. زبان اسمبلی یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی پایه است که به برنامه‌نویسان این امکان را می‌دهد تا با استفاده از کدهای نزدیک به زبان ماشین، مستقیماً با سخت‌افزار سیستم تعامل کنند. این زبان به دلیل دسترسی مستقیم به منابع سیستم و قابلیت بهینه‌سازی بالا، در توسعه نرم‌افزارهای سیستم و کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستورات زبان اسمبلی معمولاً شامل عملگرها و دستورالعمل‌هایی نظیر MOV،ADD ،SUB و JMP هستند که به برنامه‌نویسان امکان کنترل دقیق‌تری بر روی نحوه‌ی اجرای برنامه‌ها را می‌دهند. برای اطلاعات بیشتر و مقالات تخصصی در این زمینه، می‌توانید به مجله پی‌استور مراجعه کنید.

زبان اسمبلی چیست؟

زبان اسمبلی «Assembly language» یک زبان سطح پایین است که به شما کمک می‌کند تا مستقیماً با سخت‌افزار کامپیوتر ارتباط برقرار کنید. این زبان از نمادها «mnemonics» برای نمایش عملیاتی که پردازنده باید انجام دهد، استفاده می‌کند. زبان اسمبلی به عنوان یک زبان واسط بین زبان‌های سطح بالا مانند ++C و زبان باینری «دوتایی» عمل می‌کند. این زبان از مقادیر هگزادسیمال «مبنای شانزده» و باینری «مبنای دو» استفاده می‌کند و برای انسان قابل خواندن است.

چگونه زبان اسمبلی کار می‌کند؟

زبان‌های اسمبلی شامل کدهای نمادین «mnemonic codes» هستند که مشخص می‌کنند پردازنده چه کاری باید انجام دهد. کد نمادین که توسط برنامه‌نویس نوشته می‌شود، برای اجرا به زبان ماشین «زبان باینری» تبدیل می‌شود. برای تبدیل کد اسمبلی به زبان ماشین از یک اسمبلر «assembler» استفاده می‌شود. کد ماشین در یک فایل اجرایی برای اجرا ذخیره می‌شود.

این زبان، برنامه‌نویس را قادر می‌سازد تا مستقیماً با سخت‌افزار، مانند ثبات‌ها «registers»، مکان‌های حافظه، دستگاه‌های ورودی/خروجی یا سایر اجزای سخت‌افزاری ارتباط برقرار کند. این امر می‌تواند به برنامه‌نویس کمک کند تا اجزای سخت‌افزاری را مستقیماً کنترل کرده و منابع را به طور کارآمد مدیریت کند.

ساختار کلی زبان اسمبلی

زبان اسمبلی، به عنوان یک زبان سطح پایین، مستقیماً با سخت‌افزار سیستم در تعامل است. ساختار کلی یک برنامه اسمبلی شامل اجزاء زیر است:

برجسته‌سازی (Directives): این قسمت از برنامه شامل دستوراتی است که به اسمبلر اطلاعات می‌دهد، بدون اینکه مستقیماً به کد ماشین تبدیل شود. به عنوان مثال، می‌توان به data، .text و global. اشاره کرد.

• data.: بخشی برای تعریف داده‌ها و متغیرها.
• text.: بخشی برای نوشتن کد برنامه.

برچسب‌ها (Labels): برچسب‌ها نام‌هایی هستند که به آدرس‌های خاص در کد اطلاق می‌شوند و برای تسهیل پرش یا ارجاع به بخش‌های مختلف کد استفاده می‌شوند.

دستورات (Instructions): این قسمت شامل خود دستوراتی است که پردازنده باید اجرا کند. هر دستور یک عمل خاص را تعریف می‌کند (مثلاً جمع کردن دو عدد).

عملوندها (Operands): عملوندها متغیرهایی هستند که دستورات بر روی آن‌ها عمل انجام می‌دهند. این عملوندها می‌توانند شامل ثبات‌ها، آدرس‌های حافظه یا مقادیر ثابت باشند.

کامنت‌ها (Comments): توضیحات متنی که به کد اضافه می‌شود تا آن را برای برنامه‌نویس قابل‌فهم‌تر کند. در اکثر زبان‌های اسمبلی، کامنت‌ها با کاراکتری خاص (مثل ; در RISC-V) علامت‌گذاری می‌شوند.
نحو (Syntax) زبان اسمبلی: نحو زبان اسمبلی به قوانین و ساختارهایی اطلاق می‌شود که باید در نوشتن کد رعایت شود. این نحو بسته به نوع معماری پردازنده ممکن است کمی متفاوت باشد، اما به‌طور کلی، شامل موارد زیر است:

۱. ساختار کلی دستور

[label] instruction operand1, operand2

• برچسب: (اختیاری) نامی که به آدرس داده می‌شود.
• دستور: عمل مورد نظر (مثل ADD).
• عملوندها: متغیرهایی که بر روی آن‌ها عمل انجام می‌شود.

۲. دستورهای با عملوندهای مختلف

عملوندها می‌توانند به صورت زیر باشند:

• ثبات: مثلاً R1
• آدرس حافظه: مثلاً 0x1000
• مقادیری ثابت: مثلاً ۵

۳. استفاده از کامنت‌ها: شما می‌توانید با استفاده از کامنت‌ها توضیحات را به کد اضافه کنید:

ADD R1, R2, R3 ; جمع R2 و R3 و ذخیره در R1

مثال ساده

.section .data           ; بخش داده
msg:    .asciz "Hello, World!"  ; یک رشته متن

.section .text           ; بخش کد
.globl _start            ; تعریف نقطه ورود
_start:                 
    ; شروع برنامه
    mov $1, %eax         ; سیستم‌کال write
    mov $1, %ebx         ; فایل دیسک‌نویسی: stdout
    mov $msg, %ecx       ; آدرس رشته پیام
    mov $13, %edx        ; طول پیام
    int $0x80            ; فراخوانی سیستم

    mov $0, %ebx         ; خروج از برنامه
    mov $1, %eax         ; سیستم‌کال exit
    int $0x80            ; فراخوانی سیستم

در این مثال، در بخش data. یک رشته تعریف شده و در بخش text.، کدی برای نمایش آن رشته بر روی صفحه نمایش نوشته شده است.

دستورهای پایه زبان اسمبلی

در زبان اسمبلی، دستورات ریاضی بخش مهمی از کدها را تشکیل می‌دهند. این دستورات به شما اجازه می‌دهند تا عملیات ریاضی پایه را بر روی داده‌ها انجام دهید. در ادامه به برخی از این دستورات اشاره می‌کنیم:

۱. ADD (جمع): این دستور برای جمع کردن دو عدد استفاده می‌شود.
مثال:

ADD R1, R2  ; جمع کردن مقدار موجود در R2 و ذخیره نتیجه در R1

۲. SUB (تفریق): این دستور برای تفریق یک عدد از عدد دیگر به کار می‌رود.
مثال:

SUB R1, R2  ; تفریق مقدار موجود در R2 از مقدار موجود در R1 و ذخیره نتیجه در R1

۳. MUL (ضرب): این دستور برای ضرب کردن دو عدد استفاده می‌شود.
مثال:

MUL R1, R2  ; ضرب مقدار موجود در R1 با مقدار موجود در R2 و ذخیره نتیجه در R1

۴. DIV (تقسیم): این دستور برای تقسیم یک عدد بر عدد دیگر استفاده می‌شود.
مثال:

DIV R1, R2  ; تقسیم مقدار موجود در R1 بر مقدار موجود در R2 و ذخیره نتیجه (قسمت صحیح) در R1

این دستورات بسیار پایه‌ای و اساسی هستند و به عنوان بخش‌های کلیدی در هر برنامه اسمبلی برای انجام عملیات ریاضی به کار می‌روند.

دستورات منطقی در زبان اسمبلی

دستورات منطقی نیز از اجزای حیاتی در زبان اسمبلی هستند و برای انجام عملیات منطقی بر روی بیت‌ها و داده‌ها به کار می‌روند. در ادامه به معرفی این دستورات می‌پردازیم:

۱. AND (AND منطقی): این دستور، عمل AND منطقی را بین دو عملوند انجام می‌دهد. نتیجه، زمانی ۱ خواهد بود که هر دو بیت متناظر در عملوندها ۱ باشند.

مثال:

AND R1, R2  ; انجام AND منطقی بین R1 و R2 و ذخیره نتیجه در R1

۲. OR (OR منطقی): این دستور، عمل OR منطقی را بین دو عملوند انجام می‌دهد. نتیجه، زمانی ۱ خواهد بود که حداقل یکی از بیت‌های متناظر در عملوندها ۱ باشد.
مثال:

OR R1, R2   ; انجام OR منطقی بین R1 و R2 و ذخیره نتیجه در R1

۳. NOT (NOT منطقی): این دستور، عمل NOT منطقی را بر روی یک عملوند انجام می‌دهد. این عمل، بیت‌ها را معکوس می‌کند (۰ به ۱ و ۱ به ۰ تبدیل می‌شود).

مثال:

NOT R1      ; انجام NOT منطقی بر روی R1 و ذخیره نتیجه در R1

۴. XOR (XOR منطقی): این دستور، عمل XOR منطقی را بین دو عملوند انجام می‌دهد. نتیجه، زمانی ۱ خواهد بود که بیت‌های متناظر در عملوندها با هم متفاوت باشند.

XOR R1, R2  ; انجام XOR منطقی بین R1 و R2 و ذخیره نتیجه در R1

این دستورات منطقی به شما اجازه می‌دهند تا عملیات پیچیده‌تری را بر روی داده‌ها انجام دهید و برای کنترل جریان برنامه و پردازش داده‌ها بسیار مفید هستند.

دستورات کنترلی در زبان اسمبلی

در زبان اسمبلی، دستورات کنترلی مهمی وجود دارند که برای کنترل جریان برنامه مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر به برخی از این دستورات اشاره می‌کنیم:

JMP (پرش): دستور پرش به شما این امکان را می‌دهد که به یک آدرس مشخص در برنامه پرش کنید. این دستورات برای ایجاد حلقه‌ها و ساختارهای کنترلی دیگر مفید هستند.

• مثال: JMP LABEL که به آدرس مشخص‌شده توسط LABEL پرش می‌کند.

CALL (فراخوانی تابع): این دستور برای فراخوانی توابع یا زیرروال‌ها «subroutines» استفاده می‌شود. زمانی که تابع فراخوانی می‌شود، آدرس بازگشت به طور خودکار ذخیره می‌شود تا بعد از اتمام تابع کنترل به آنجا بازگردد.

• مثال: CALL FUNCTION_NAME که تابعی به نام FUNCTION_NAME را فراخوانی می‌کند

RET (برگشت): دستور برگشت برای بازگشت از یک تابع به آدرس ذخیره‌شده در زمان فراخوانی تابع استفاده می‌شود. این دستور کنترل برنامه را به جای قبلی آن برمی‌گرداند.

• مثال: RET که کنترل را به آدرس ذخیره‌شده «دستور بعد از CALL» برمی‌گرداند.

IF و ELSE: دستورات IF و ELSE در زبان اسمبلی معمولاً به صورت شرطی و با استفاده از دستورات مقایسه و پرش نوشته می‌شوند. این دستورات به شما اجازه می‌دهند تا با توجه به شرایطی خاص، جریان برنامه را به مسیرهای مختلف هدایت کنید.

• به‌عنوان مثال، اگر شرطی برقرار باشد، به یک بخش خاص پرش می‌کنید و در غیر این صورت به بخش دیگری می‌روید.

CMP AX, BX      ; مقایسه AX با BX
JE EQUAL_LABEL  ; اگر برابر بودند، به EQUAL_LABEL پرش کن
; دستورالعمل‌های دیگر
JMP END_LABEL   ; به پایان برود

EQUAL_LABEL:
; دستورالعمل‌هایی که در صورت برابری اجرا می‌شوند

END_LABEL:
; خاتمه برنامه

این دستورات به شما کمک می‌کنند تا اجرای برنامه را به شیوه‌ای کنترل‌شده و منطقی سازمان‌دهی کنید.

 تعریف عملوندها

عملوندها مقادیری هستند که به دستورالعمل‌ها داده می‌شوند تا عملیات مشخصی روی آن‌ها انجام شود. به عبارت دیگر، عملوندها داده‌هایی هستند که در یک دستور به کار می‌روند تا نتیجه‌ای خاص را تولید کنند.

انواع عمل Operand

عمل_operandها به طور کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

۱. ثبات‌ها (Registers)

•  ثبات‌ها مکان‌های حافظه سریع در پردازنده هستند که برای ذخیره‌سازی موقت داده‌ها و نتایج عملیات استفاده می‌شوند.
•  به دلیل سرعت بالای دسترسی به آن‌ها، معمولاً در عملیات‌های محاسباتی و منطقی به کار می‌روند.
•  مثال: ثبات‌های AX، BX، CX و DX.

۲. حافظه (Memory)

• عملوندهایی که در حافظه اصلی (RAM) ذخیره شده‌اند و پردازنده برای دسترسی به آن‌ها به آدرس‌های حافظه مراجعه می‌کند.
• این نوع عملوندها ممکن است شامل متغیرها، آرایه‌ها یا هر نوع داده‌ای باشند که در حافظه قرار دارند.
•  مثال: از طریق آدرس‌های حافظه مانند [1000h] به یک مقدار دسترسی پیدا می‌کنیم.

۳. مقادیر ثابت (Constants)

•  مقادیر ثابت به داده‌های بدون تغییر اشاره دارد که به طور مستقیم در کد مشخص شده‌اند.
•  این مقادیر عموماً به عنوان عملوند در دستورالعمل‌ها استفاده می‌شوند و به پردازنده می‌گویند که از یک عدد مشخص استفاده کند.
•  مثال: عدد ۱۰ یا ۵۰ که به طور مستقیم در دستور«ADD 10, 20» دیده می‌شود.

 مزایا و معایب زبان اسمبلی

در این قسمت از مقاله دستورات زبان اسمبلی به بررسی مزایا و معایب زبان اسمبلی می‌پردازیم:

مزایا زبان اسمبلی 

• کنترل دقیق بر سخت‌افزار: زبان اسمبلی کنترل دقیق‌تری بر سخت‌افزار ارائه می‌دهد که منجر به بهینه‌سازی بیشتر کد می‌شود.
• دسترسی مستقیم به سخت‌افزار: امکان دسترسی مستقیم به اجزای سخت‌افزاری مانند ثبات‌ها را فراهم می‌کند، بنابراین راه‌حل‌های سفارشی‌سازی شده برای مسائل سخت‌افزاری را ممکن می‌سازد.
• استفاده کارآمد از منابع: به دلیل کنترل در سطح پایین، کد بهینه‌شده، آگاهی از منابع، سفارشی‌سازی و غیره، استفاده کارآمد از منابع را فراهم می‌کند.
• مناسب برای برنامه‌نویسی ریزپردازنده‌ها و حسگرها: برای برنامه‌نویسی ریزکنترل‌کننده‌ها، حسگرها و سایر اجزای سخت‌افزاری ایده‌آل است.
  کاربرد در تحقیقات امنیتی: در تحقیقات امنیتی برای یافتن آسیب‌پذیری‌های امنیتی، مهندسی معکوس نرم‌افزار برای امنیت سیستم استفاده می‌شود.
• ضروری برای سیستم‌عامل‌ها و هسته‌ها: برای ساخت سیستم‌عامل‌ها، هسته سیستم و کنترل‌کننده‌های دستگاه که برای عملکرد خود به تعامل با سخت‌افزار نیاز دارند، بسیار ضروری است.

معایب زبان اسمبلی

• پیچیدگی و دشواری یادگیری: این زبان پیچیده است و یادگیری آن، به خصوص برای مبتدیان، دشوار است.
• وابستگی به ماشین: بسیار به ماشین وابسته است، بنابراین قابلیت حمل را محدود می‌کند.
• نگهداری دشوار کد: نگهداری کد، به ویژه برای پروژه‌های بزرگ، واقعاً دشوار است.
• زمان‌بر بودن: بسیار زمان‌بر است زیرا درک آن دشوار است و کد طولانی دارد.
• اشکال‌زدایی چالش‌برانگیز: اشکال‌زدایی برای برنامه‌نویسان بسیار چالش‌برانگیز است.

چند مثال عملی از زبان اسمبلی

در این بخش، مثال‌هایی از برنامه‌نویسی ساده در زبان اسمبلی ارائه می‌شود تا درک بهتری از مفاهیم ارائه‌شده حاصل شود.

مثال ۱ جمع دو عدد: این برنامه دو عدد را از حافظه می‌خواند، آن‌ها را جمع می‌کند و نتیجه را در یک ثبات ذخیره می‌کند.

section .data
    num1 dw 10    ; عدد اول (۱۶ بیتی)
    num2 dw 20    ; عدد دوم (۱۶ بیتی)
    result dw 0   ; محل ذخیره نتیجه

section .text
    global _start

_start:
    ; خواندن num1 در AX
    mov ax, [num1]

    ; جمع کردن num2 با AX
    add ax, [num2]

    ; ذخیره نتیجه در result
    mov [result], ax

    ; خروج از برنامه
    mov eax, 1      ; شماره فراخوانی خروج
    xor ebx, ebx    ; کد بازگشت صفر
    int 0x80        ; فراخوانی سیستم

توضیحات

• section .data: بخش داده‌ها که در آن متغیرها تعریف می‌شوند.
• num1 dw 10: تعریف یک متغیر به نام num1 و مقدار اولیه ۱۰. dw به معنای “define word” است و یک مقدار ۱۶ بیتی را تعریف می‌کند.
• section .text: بخش کد که شامل دستورالعمل‌هاست.
• global _start: نقطه ورود برنامه.
• mov ax, [num1]: مقدار num1 را به ثبات AX منتقل می‌کند.
• add ax, [num2]: مقدار num2 را به AX اضافه می‌کند.
• mov [result], ax: نتیجه (در AX) را در متغیر result ذخیره می‌کند.

مثال ۲ انتقال یک رشته: این برنامه یک رشته را از یک مکان در حافظه به مکان دیگر منتقل می‌کند.

section .data
    source_string db "Hello, Assembly!", 0  ; رشته منبع
    dest_string db 100 dup(0)                ; فضای خالی برای رشته مقصد

section .text
    global _start

_start:
    ; آدرس رشته منبع
    lea esi, [source_string]

    ; آدرس رشته مقصد
    lea edi, [dest_string]

    ; طول رشته
    mov ecx, 16   ; طول رشته (شامل کاراکتر پایان NULL)

copy_loop:
    ; انتقال یک بایت
    mov al, [esi]
    mov [edi], al

    ; افزایش اشاره‌گرها
    inc esi
    inc edi

    ; کاهش شمارنده
    loop copy_loop

    ; خروج از برنامه
    mov eax, 1
    xor ebx, ebx
    int 0x80

توضیحات

• db :define byte یک بایت را تعریف می‌کند.
• ۱۰۰ dup(0): یک فضای ۱۰۰ بایتی با مقدار اولیه ۰ برای dest_string تخصیص می‌دهد.
• lea esi, [source_string]: آدرس رشته منبع را در ESI (شاخص منبع) بارگذاری می‌کند.
• lea edi, [dest_string]: آدرس رشته مقصد را در EDI (شاخص مقصد) بارگذاری می‌کند.
• mov ecx, 16: طول رشته را در ECX (شمارنده حلقه) تنظیم می‌کند.
• mov al, [esi]: یک بایت از رشته منبع را در AL (ثبات ۸ بیتی) بارگذاری می‌کند.
• mov [edi], al: بایت را در رشته مقصد ذخیره می‌کند.
• inc esi و inc edi: اشاره‌گرها را افزایش می‌دهند.
• loop copy_loop: حلقه را تکرار می‌کند تا ECX به صفر برسد.

نتیجه گیری

در نهایت، دستورات زبان اسمبلی هسته اصلی برنامه‌نویسی در این زبان سطح پایین را تشکیل می‌دهند. این دستورات، که شامل نمادهای یادآور (Mnemonic) مانند «MOV ،ADD ،SUB» و غیره هستند، به برنامه‌نویسان امکان می‌دهند تا با دقت و کنترل بالا بر سخت‌افزار، وظایف مختلفی را انجام دهند. فهم دقیق این دستورات، نحوه استفاده از عملوندها، ثبات‌ها و مدیریت حافظه، برای نوشتن برنامه‌های کارآمد و بهینه‌سازی شده در زبان اسمبلی ضروری است و تسلط بر آن‌ها، برنامه‌نویس را قادر می‌سازد تا به صورت مستقیم با معماری سیستم در ارتباط باشد و عملکرد سیستم را بهبود بخشد.