Hợp ngữ

Trong lập trình máy tính, Hợp ngữ (hay assembly) thường được viết tắt là asm là bất kỳ ngôn ngữ lập trình cấp thấp nào có sự tương ứng rất mạnh giữa các tập lệnh trong ngôn ngữ và tập lệnh mã máy của kiến trúc. Bởi vì hợp ngữ phụ thuộc vào tập lệnh mã máy, mỗi trình biên dịch có hợp ngữ riêng được thiết kế cho chính xác một kiến trúc máy tính cụ thể. Hợp ngữ cũng có thể được gọi là mã máy tượng trưng ("symbolic machine code)".
Mã hợp ngữ được chuyển đổi thành mã máy thực thi bằng một chương trình được gọi là "assembler". Quá trình chuyển đổi được gọi là "assembling". Hợp ngữ thường có một câu lệnh trên một lệnh máy (1:1), nhưng các comment và các câu lệnh là chỉ thị trình biên dịch, macros, và các nhãn chương trình và địa chỉ bộ nhớ cũng được hỗ trợ
Mỗi một hợp ngữ là dành riêng cho một kiến trúc máy tính cụ thể và đôi khi cho một hệ điều hành. Tuy nhiên, một số hợp ngữ không cung cấp cú pháp riêng cho lời gọi hệ điều hành, và hầu hết các hợp ngữ có thể được sử dụng phổ biến với bất kỳ hệ điều hành nào, vì ngôn ngữ này cung cấp quyền truy cập vào tất cả các khả năng thực sự của bộ xử lý, theo đó tất cả các cơ chế gọi hệ thống đều dừng lại. Trái ngược với hợp ngữ, hầu hết các ngôn ngữ lập trình bậc cao thường có khả năng di động trên nhiều kiến trúc nhưng yêu cầu thông dịch hoặc biên dịch, một công việc phức tạp hơn nhiều so với assembling.
Hợp ngữ đã từng được dùng rộng rãi trong tất cả các khía cạnh lập trình, nhưng ngày nay nó có xu hướng chỉ được dùng trong một số lãnh vực hẹp, chủ yếu để giao tiếp trực tiếp với phần cứng hoặc xử lý các vấn đề liên quan đến tốc độ cao điển hình như các trình điều khiển thiết bị, các hệ thống nhúng cấp thấp và các ứng dụng thời gian thực.
Cú pháp.
Cách dùng các thuật nhớ (mnemonics) thân thiện để viết chương trình đã thay thế cách lập trình trực tiếp lên máy tính bằng mã máy dạng số (numeric machine code) - từng áp dụng cho những máy tính đầu tiên - vốn rất mệt nhọc, dễ gây lỗi và tốn nhiều thời giờ.
Hợp ngữ dùng một thuật nhớ (mnemonic) để thể hiện từng lệnh máy hoặc opcode cấp thấp, thường là mỗi thanh ghi kiến trúc, bit cờ... Nhiều thao tác yêu cầu một hoặc nhiều toán hạng để tạo thành một lệnh hoàn chỉnh. Hầu hết các trình hợp dịch cho phép các hằng số, thanh ghi và nhãn được đặt tên cho các vị trí chương trình và bộ nhớ và có thể tính toán các biểu thức cho toán hạng. Do đó, các lập trình viên được giải phóng khỏi các tính toán lặp đi lặp lại tẻ nhạt và các chương trình biên dịch chương trình dễ đọc hơn nhiều so với mã máy. Tùy thuộc vào kiến trúc, các yếu tố này cũng có thể được kết hợp cho các tập lệnh cụ thể hoặc chế độ địa chỉ bằng cách sử dụng offset hoặc dữ liệu khác cũng như địa chỉ cố định. Nhiều trình hợp dịch cung cấp các cơ chế bổ sung để tạo điều kiện phát triển chương trình, kiểm soát quá trình lắp ráp và hỗ trợ gỡ lỗi.
Các khái niệm.
Trình hợp dịch (Assembler).
Thông thường, một trình hợp dịch hiện đại tạo ra mã đối tượng (object code) bằng cách phiên dịch các lệnh hợp ngữ thành mã thực thi (opcodes) và phân tích các biểu danh (symbolic names) ứng với các vùng nhớ cùng các thực thể khác. Việc dùng các biểu danh để tham chiếu là một tính năng then chốt của các trình hợp dịch, nó tiết kiệm một khối lượng lớn công việc tính toán và sửa đổi thủ công sau mỗi lần cải tiến ứng dụng. Hầu hết các trình hợp dịch đều hỗ trợ macro nhằm giúp cho việc thay thế một nhóm lệnh bằng một định danh ngắn gọn. Trong quá trình dịch, nhóm lệnh tương ứng sẽ được chèn trực tiếp vào vị trí macro thay vì một lời gọi hàm (subroutine).
Một số trình hợp dịch cũng có thể thực hiện một số loại tối ưu hóa cụ thể theo tập lệnh. Một ví dụ cụ thể về điều này có thể là trình hợp dịch x86 phổ biến từ các nhà cung cấp khác nhau. Hầu hết trong số chúng có thể thực hiện thay thế lệnh nhảy (nhảy dài thay thế bằng nhảy ngắn hoặc tương đối) trong bất kỳ số lần vượt qua, theo yêu cầu. Những trình hợp dịch khác thậm chí có thể thực hiện sắp xếp lại đơn giản hoặc chèn các lệnh, chẳng hạn như một số trình hợp dịch cho kiến trúc RISC có thể giúp tối ưu hóa lịch trình tập lệnh hợp lý để khai thác kênh chuyền dữ liệu (pipeline) của CPU một cách hiệu quả nhất có thể.
Giống như các ngôn ngữ lập trình ban đầu như Fortran, Algol, Cobol và Lisp, các trình hợp dịch đã có sẵn từ những năm 1950 và các thế hệ giao diện máy tính dựa trên văn bản đầu tiên. Tuy nhiên, các trình hợp dịch xuất hiện đầu tiên vì chúng đơn giản hơn nhiều so với trình biên dịch cho các ngôn ngữ bậc cao. Điều này là do mỗi mnemonic cùng với các chế độ địa chỉ và toán hạng của một lệnh dịch trực tiếp thành các biểu diễn số của lệnh đó, mà không có nhiều bối cảnh hoặc phân tích. Cũng đã có một số lớp dịch giả và trình tạo mã bán tự động có các thuộc tính tương tự cả hợp ngữ và ngôn ngữ bậc cao, với Speedcode có lẽ là một trong những ví dụ được biết đến nhiều hơn.
Có thể có một số trình biên dịch với cú pháp khác nhau cho một cấu trúc CPU hoặc tập lệnh cụ thể. Chẳng hạn, một lệnh để thêm dữ liệu bộ nhớ vào một thanh ghi trong bộ xử lý họ x86 có thể là codice_1, trong cú pháp gốc của Intel, trong khi điều này sẽ được viết là codice_2 trong cú pháp của AT&amp;T được dùng trong GNU Assembler. Mặc dù xuất hiện khác nhau, các hình thức cú pháp khác nhau thường tạo ra cùng một mã máy. Xem bên dưới. Một trình biên dịch đơn cũng có thể có các chế độ khác nhau để hỗ trợ các biến thể trong các hình thức cú pháp cũng như các diễn giải ngữ nghĩa chính xác của chúng (như cú pháp FASM, cú pháp TASM, chế độ lý tưởng, v.v., trong trường hợp đặc biệt của lập trình hợp ngữ x86).
Các trình hợp dịch nói chung dễ tạo hơn so với các chương trình dịch cho ngôn ngữ cấp cao. Những trình hợp ngữ đầu tiên xuất hiện từ những thập niên 1950, trong buổi đầu sơ khai của máy tính đã tạo ra một bước ngoặt lớn đối với những lập trình viên vốn rất mệt mỏi vì việc lập trình bằng ngôn ngữ máy. Các trình hợp dịch hiện đại ngày nay, đặc biệt cho các dòng chip RISC như MIPS, Sun SPARC và HP PA-RISC, thường tối ưu việc sắp xếp và đồng bộ các chỉ thị lệnh (instruction scheduling) để tận dụng các kênh chuyền dữ liệu (pipeline) của CPU một cách hiệu quả.
Số lần.
Có hai loại trình hợp dịch dựa trên số lần truyền qua nguồn cần thiết (số lần trình biên dịch đọc nguồn) để tạo tệp đối tượng.
Trong cả hai trường hợp, trình biên dịch phải có khả năng xác định kích thước của mỗi lệnh trên các đường chuyền ban đầu để tính địa chỉ của các ký hiệu tiếp theo. Điều này có nghĩa là nếu kích thước của một hoạt động đề cập đến một toán hạng được xác định sau phụ thuộc vào loại hoặc khoảng cách của toán hạng, trình biên dịch sẽ đưa ra ước tính bi quan khi lần đầu tiên gặp thao tác và nếu cần, hãy đệm nó bằng một hoặc nhiều lệnh "no-operation" trong một lần vượt qua hoặc errata. Trong một trình biên dịch với tối ưu hóa lỗ nhìn trộm, các địa chỉ có thể được tính toán lại giữa các lần chuyển để cho phép thay thế mã bi quan bằng mã được điều chỉnh theo khoảng cách chính xác từ mục tiêu.
Lý do ban đầu cho việc sử dụng bộ hợp dịch một lần là tốc độ hợp dịch - thường thì lần thứ hai sẽ yêu cầu tua lại và đọc lại nguồn chương trình trên băng hoặc đọc lại một chuỗi bìa đục lỗ. Các máy tính sau này có bộ nhớ lớn hơn nhiều (đặc biệt là lưu trữ đĩa), có không gian để thực hiện tất cả các xử lý cần thiết mà không cần đọc lại. Ưu điểm của trình hợp dịch nhiều lượt là việc không có errata làm cho quá trình liên kết (hoặc tải chương trình nếu trình biên dịch trực tiếp tạo mã thực thi) nhanh hơn.r.
Ví dụ: trong đoạn mã sau, trình hợp dịch một lần có thể xác định địa chỉ của BKWD tham chiếu ngược khi hợp dịch câu lệnh S2, nhưng không thể xác định địa chỉ của FWD tham chiếu chuyển tiếp khi hợp dịch câu lệnh nhánh S1; thật vậy, FWD có thể không được xác định. Trình hợp dịch hai lần sẽ xác định cả hai địa chỉ trong lần 1, vì vậy chúng sẽ được biết khi tạo mã trong lần 2.
 B 
 EQU *
 EQU *
 B 
Trình hợp dịch bậc cao.
Nhiều trình hợp dịch bậc cao còn hỗ trợ khả năng ngôn ngữ trừu tượng như:
Tham khảo phần Thiết kế ngôn ngữ bên dưới để rõ hơn.
Hợp ngữ (Assembly language).
Một chương trình viết bằng hợp ngữ bao gồm một chuỗi các lệnh (instructions) dễ nhớ tương ứng với một luồng các chỉ thị khả thi (executable) mà khi được dịch bằng một trình hợp dịch, chúng có khả năng nạp được vào bộ nhớ đồng thời thực thi được.
Ví dụ, bộ vi xử lý x86/IA-32 có thể thực hiện được chỉ thị nhị phân sau (thể hiện ở dạng ngôn ngữ máy):
Lệnh trên tương đương với một chỉ thị hợp ngữ dễ nhớ hơn sau:
Chỉ thị lệnh trên có nghĩa là: gán giá trị thập lục phân 61 (97 dạng thập phân) cho thanh ghi trong bộ vi xử lý có tên là "al". Thuật từ "mov" là mã thực thi (operation code / opcode), được người thiết kế tập lệnh đặt tên thay thế cho từ "move", các đối/ tham số của lệnh theo sau và ngăn cách với opcode bởi một dấu phảy ",".
Trình hợp dịch thực hiện chuyển đổi hợp ngữ sang ngôn ngữ máy và trình phân dịch (disassembler) thực hiện quá trình trên ngược lại. Không giống các ngôn ngữ bậc cao, các chỉ thị hợp ngữ cơ bản thường có mối liên hệ tương ứng 1-1 với các chỉ thị ngôn ngữ máy. Tuy nhiên trong một số trường hợp, một trình hợp dịch có thể bổ sung các lệnh giả (pseudo-instructions) vào tập lệnh ngôn ngữ máy nhằm cung cấp các chức năng được dùng thường xuyên. Hầu hết các trình hợp dịch đa chức năng đều cung cấp thêm một tập macro phong phú để nhà sản xuất thiết bị và lập trình viên có thể tạo các mã lệnh và các dãy dữ liệu phức tạp.
Mỗi kiến trúc máy tính đều có ngôn ngữ máy riêng và do đó cũng có hợp ngữ riêng, chúng phân biệt với nhau bằng số lượng và kiểu của các lệnh mà chúng hỗ trợ. Chúng cũng có thể khác nhau về số lượng và kích cỡ của các thanh ghi cũng như cách thể hiện các kiểu dữ liệu trong bộ lưu trữ (bộ nhớ). Hầu hết các máy tính công dụng chung đều có khả năng thực hiện cùng chức năng nhưng cách mà chúng thực hiện thì khác nhau, điều đó phản ánh sự khác nhau giữa các hợp ngữ tương ứng với mỗi kiểu máy tính.
Ngôn ngữ máy (Machine language).
Ngôn ngữ máy được xây dựng từ các chỉ thị và các lệnh rời rạc, tùy vào mỗi kiến trúc xử lý mà tập lệnh được xác lập bởi các đặc thù riêng:
Nhiều lệnh phức hợp được tạo dựng bằng cách kết hợp nhiều chỉ thị đơn giản với nhau, các chỉ thị này tuân theo nguyên lý máy tính Von Neumann, tức là thực thi tuần tự và rẽ nhánh theo lệnh phân luồng. Một số lệnh điển hình có mặt trong hầu hết các tập lệnh gồm có:
Một số máy tính bao gồm các chỉ thị lệnh phức hợp trong tập lệnh của chúng. Một lệnh phức hợp thường thực hiện những tác vụ cần nhiều chỉ thị lệnh trên nhiều máy khác nhau, chúng thực hiện trong nhiều bước, điều khiển nhiều đơn vị chức năng. Danh sách minh họa một số lệnh phức hợp:
Một kiểu lệnh phức hợp được dùng phổ biến ngày nay là các phép toán SIMD hay các lệnh vector (vector instruction) có khả năng thực hiện cùng một phép toán số học trên nhiều phần của dữ liệu trong cùng một thời điểm. Các lệnh SIMD (single instruction multile data) cho phép thực hiện song song nhiều thuật toán liên quan đến xử lý âm thanh, hình ảnh và video một cách dễ dàng. Nhiều tập lệnh thực thi SIMD tích hợp trong CPU đã được thương mại hóa dưới các thương hiệu như MMX và SSE, SSE2, SSE3, SSE4 (Intel), 3DNow! (AMD), AltiVec (IBM), tm3260 và tm5250 (Nexperia - Philips) …
Thiết kế.
Chỉ thị lệnh trong hợp ngữ nói chung là đơn giản, không giống như trong ngôn ngữ bậc cao. Mỗi chỉ thị lệnh điển hình thường bao gồm một mã lệnh (operation/ opcode hay đơn giản là instruction) theo với một hoặc nhiều toán hạng (operands), hoặc không có toán hạng nào. Hầu hết các chỉ thị lệnh đều tham khảo tới một giá trị đơn hoặc cặp giá trị. Mỗi chỉ thị lệnh thường được mã hóa tương ứng trực tiếp với một chỉ thị ngôn ngữ máy khả thi đơn lẻ.
Những thành phần thông thường có trong hầu hết các hợp ngữ gồm có:
Những tính năng trên được mượn từ các thiết kế ngôn ngữ bậc cao nên đã đơn giản hóa những vấn đề trong lập trình và bảo trì mã nguồn cấp thấp. Mã nguồn hợp ngữ thô cũng có thể tạo ra bằng các trình biên dịch ngôn ngữ bậc cao (compiler) hoặc bằng các trình phân dịch mã máy (disassembler), nhưng chúng thường không có chú dẫn cũng như các định danh dễ hiểu nên rất khó đọc.
Ngoài các đặc tính cơ bản ở trên, tuy nhiên vài hợp ngữ cũng có những tính năng ngoại lệ như:
Ứng dụng.
Trong quá khứ.
Về mặt lịch sử, đã từng có một số lượng lớn các chương trình đã được viết hoàn toàn bằng hợp ngữ. Trước khi xuất hiện ngôn ngữ C vào những năm 1970 và đầu thập niên 1980, các hệ điều hành độc quyền hầu như được viết bằng hợp ngữ. Nhiều ứng dụng thương mại cũng được viết bằng hợp ngữ, bao gồm một khối lượng lớn các phần mềm cho máy tính lớn của IBM được các tập đoàn lớn viết. Cuối cùng thì ngôn ngữ COBOL và FORTRAN đã thay thế hợp ngữ mặc dù còn nhiều tổ chức vẫn giữ lại các kiến trúc ứng dụng kiểu hợp ngữ trong suốt thập niên 1980.
Hầu hết các máy vi tính (micro-computer) buổi đầu chủ yếu vận hành bằng hợp ngữ, bao gồm các hệ điều hành và các ứng dụng lớn. Lý do là bởi các hệ thống này bị hạn chế về tài nguyên, thiết bị, bộ nhớ và kiến trúc hiển thị cũng như các dịch vụ hệ thống dễ lỗi. Lý do quan trọng hơn, có lẽ là sự thiếu hụt các trình biên dịch bậc cao tiên tiến vốn thích hợp cho các hệ thống vi tính. Các ứng dụng lớn viết bằng hợp ngữ điển hình như hệ điều hành CP/M và MS-DOS, bảng tính spreadsheet và Lotus-123 trong các máy IBM-PC đời đầu, và nhiều các trò chơi phổ biến cho máy Commodore 64. Thậm chí tới những năm 1990, nhiều các trò chơi video giải trí vẫn được viết bằng hợp ngữ, bao gồm các trò chơi cho máy Mega Drive/Genesis và Super Nintendo Entertainment System.
Ngoài ra còn một dạng "ứng dụng" không được khuyến khích đó là virus máy tính. Trong các những năm '80 và đầu những năm '90 hầu hết virus máy tính được viết bằng hợp ngữ, lý do là sự giảm thiểu kích thước của virus cũng như khả năng can thiệp sâu vào hệ thống của hợp ngữ.
Hiện nay.
Đã từng có nhiều tranh luận về tiện dụng và hiệu năng của hợp ngữ so với các ngôn ngữ bậc cao, tuy ngày nay người ta ít chú ý tới điều đó nữa. Hợp ngữ vẫn đóng vai trò quan trọng trong một số nhu cầu cần thiết. Nói chung, các trình biên dịch hiện đại ngày nay đều có khả năng biên dịch các ngôn ngữ bậc cao thành mã mà có thể thực thi nhanh ít nhất bằng hợp ngữ. Độ phức tạp của các bộ vi xử lý hiện đại cho phép tối ưu mã một cách hiệu quả, hơn nữa, phần lớn thời gian hoạt động của CPU rơi vào trạng thái rỗi bởi nó phải đợi kết quả từ cá các tính toán "thắt cổ chai" như các thao tác I/O và truy xuất bộ nhớ. Vì thế tốc độ thực thi mã thô (raw code) trở thành vấn đề ít quan trọng đối với hầu hết lập trình viên, sự xuất hiện các ngôn ngữ thông dịch (interpreted language) ngày càng nhiều là một minh chứng cho điều này.
Ngày nay có một số ít tình huống mà các chuyên gia thực sự muốn dùng hợp ngữ cho công việc của họ là:
Ngày nay lập trình viên có thể chọn một ngôn ngữ cấp thấp như C để viết các ứng dụng cần hiệu năng cao, tuy điều đó không dễ dàng bởi một ứng dụng viết bằng C sẽ không hiểu quả hơn ứng dụng viết bằng hợp ngữ. Ngoài ra, hợp ngữ vẫn còn được giảng dạy trong hầu hết các chương trình Khoa học máy tính, các khái niệm nền tảng vẫn có ý nghĩa quan trọng. Chẳng hạn như số học nhị phân, cấp phát bộ nhớ, xử lý ngăn xếp, mã hóa tập ký tự, xử lý ngắt và thiết kế trình dịch vẫn được nghiên cứu một cách chi tiết và hệ thống bất kể phần cứng máy tính hoạt động như thế nào. Cách hoạt động của máy tính được xác định bởi tập lệnh cơ sở của nó, vì vậy để hiểu các khái niệm cơ sở đó cách tốt nhất là nghiên cứu hợp ngữ của nó. May thay, hầu như các máy tính hiện đại đều có các tập lệnh tương tự nhau, do đó chỉ nắm được một hợp ngữ cũng có đủ để hiểu được các khái niệm cơ bản ở các hợp ngữ trên hệ thống khác.
Các ứng dụng điển hình.
Hợp ngữ mã cấp thấp thường được dùng cho BIOS lưu trong ROM của một hệ thống để khởi tạo và kiểm tra phần cứng hệ thống trước khi khởi tạo hệ điều hành. Khi khởi tạo phần cứng hoàn thành, quyền điều khiển hệ thống sẽ được chuyển qua cho các phần mã thự thi khác (thường được viết bằng ngôn ngữ bậc cao). Điều này cũng đúng cho hầu hết các trình khởi động (boot loader).
Nhiều trình biên dịch chuyển đổi các ngôn ngữ bậc cao thành hợp ngữ trước khi biên dịch thực sự, điều này cho phép kiểm tra mã phục vụ mục đích gỡ rối và tối ưu. Các ngôn ngữ cấp thấp như C thường cung cấp các cú pháp đặc biệt cho phép nhúng trực tiếp hợp ngữ vào mã nguồn. Các chương trình tận dụng tính năng này như Nhân Linux có thể tạo ra các tầng trừu tượng để sử dụng trên nhiều kiến trúc phần cứng khác nhau.
Hợp ngữ cũng có giá trị trong kỹ thuật dịch ngược (reverse engineering). Các chương trình lớn vốn chỉ được phân phối dưới dạng mã máy, chúng thường dễ dàng dịch ngược thành hợp ngữ để kiểm tra nhưng rất khó dịch ngược ra mã ngôn ngữ bậc cao.