Maschinensprache

 

Maschinenprogramme finden in allen Geräten mit einem Prozessor Verwendung, also von Großrechnern über Personal Computer und Smartphones bis hin zu eingebetteten (embedded) Systemen in modernen Waschmaschinen, Radios oder Steuerungen im Kraftfahrzeug für ABS oder Airbag. Bei PCs sind sie üblicherweise in ausführbaren Dateien enthalten.

Ausführbare Dateien findet man bei Windows in Dateien unter der Dateinamenserweiterung „.exe“. Unter vielen anderen Betriebssystemen werden ausführbare Dateien auch ohne Dateiendung und in anderen Formaten geführt. Sie werden teils anders bezeichnet, z. B. unter z/OS als Lademodul. Bei vielen eingebetteten Systemen oder Mikrocontrollern befinden sich bestimmte Maschinenprogramme permanent im ROM, z. B. ein Bootloader.

Maschinenprogramme können von Menschen mithilfe eines Hex-Editors oder eines Maschinencode-Monitors betrachtet, prinzipiell auch erstellt und verändert werden. In der Praxis erfolgt die Herstellung eines Maschinenprogrammes jedoch mithilfe eines Assemblers oder Compilers unter Verwendung von Quelltext der jeweiligen Programmiersprache. Maschinencode kann durch einen Disassembler wieder in Assemblerformat rückübersetzt werden, die Umwandlung in eine höhere Programmiersprache durch einen Decompiler unterliegt jedoch starken Einschränkungen.

Das Programm im Maschinencode besteht aus einer Folge von Bytes, die sowohl Befehle als auch Daten repräsentieren. Da dieser Code für den Menschen schwer lesbar ist, werden in der Assemblersprache die Befehle durch besser verständliche Abkürzungen, sogenannte Mnemonics, dargestellt. Dabei können der Operationscode, Quell- und Zielfelder sowie andere Angaben in den Befehlen mit symbolischen Bezeichnern (wie MOVE, PLZ, LAENGE) notiert werden, ggf. ergänzt um numerische Zahlenwerte, z. B. für eine individuelle Längenangabe, Registernummern usw.

Dateiformat

Ein Assemblerprogramm liegt, wie bei Quelltexten üblich, meist als Textdatei vor, während das Maschinenprogramm in der Regel als Binärdatei gespeichert ist.

Anweisungen

Das Programmieren im Textformat mit anschließender Übersetzung in den Maschinencode durch einen Assembler gestattet dem Programmierer eine weit schnellere und einfachere Programmerstellung als das Codieren im Maschinencode. In der Regel entspricht einem Assemblerbefehl genau ein Befehl im Maschinencode außer bei Makroassemblern, die aus einer Anweisung mehrere Maschinenbefehle generieren können.

Zeichenformate

Gängige Assembler erlauben es dem Programmierer, Zeichen und Zahlen in unterschiedlichen Codeformaten (Text, dezimal, Hexadezimal, oktal, binär) zu codieren, und stellen diese im Maschinenbefehl in einem der Anweisung entsprechenden Format ein. Beispiel: Die Quelltextangaben ‚A‘ oder ‚X'C1'‘ oder ‚B'11000001'‘ (im EBCDIC-Code) bedeuten dasselbe und werden im Maschinencode zu X'C1' – was bei Befehlen für duale Operationen dem Wert +193, bei Zeichenoperationen dem Zeichen 'A' entspricht.

Datendeklaration

Ein Assembler bietet dem Programmierer die Möglichkeit, Datenfelder als solche zu kennzeichnen und zu benennen, sie in verschiedenen Formaten zu deklarieren und sie mit symbolischen Namen zu versehen. Im erzeugten Maschinencode wird gemäß diesen Angaben Speicherplatz reserviert und (bei Konstanten) mit Inhalt vorbelegt. In den erzeugten Maschinenbefehlen wird die symbolische Adresse durch die numerische Adresse ersetzt und die Länge der definierten Felder eingesetzt.

Adressierung

Ein Assembler ermöglicht es, die Speicherorte für Daten und Befehle symbolisch zu benennen, sodass dem Programmierer deren numerische Adresse nicht bekannt sein muss. In der Maschinensprache sind Speicheradressen direkt angegeben. Selbst bei einer kleinen Änderung des Programms würden sich die Adressen aller nachfolgenden Programmteile verschieben, was (bei Programmierung in Maschinensprache) eine Anpassung all dieser Adressen erforderlich machen würde. Durch die symbolische Adressierung sind in der Assemblersprache auch Unterprogramme aufrufbar, deren tatsächliche Adresse im Maschinencode erst vom Assembler oder einem Linker eingesetzt wird.

Programmumfang

Ein Assemblerprogramm bezieht sich normalerweise auf eine (1) definierte Aufgabenstellung und ist zur Assemblierungszeit von anderen Programmen unabhängig. Durch Techniken wie das ‚Linken‘ können je nach Entwicklungsplattform die Ergebnisse mehrerer Assemblierungen (z. B. Objektmodule genannt)‚ zusammengefasst werden, die als Gesamtheit das Maschinenprogramm ergeben.

Dokumentation

Ein Assembler ermöglicht es, einem Programm Kommentare und weitergehende Dokumentation hinzuzufügen. In das Maschinenprogramm werden diese Quellcodeteile in der Regel nicht übernommen.

Die meisten der vorgenannten, zur Assemblersprache genannten Aspekte gelten in ähnlicher Weise auch für höhere Programmiersprachen – wobei diese sich gegenüber der Assemblersprache durch weitere (Leistungs-)Merkmale unterscheiden.

Intern ist jeder Befehl der Maschinensprache durch einen oder mehrere Zahlenwerte kodiert. Diese Zahlenwerte bestehen aus dem Opcode, der die Art des Befehls festlegt, eventuell gefolgt von einem oder mehreren Bytes an Daten zu diesem Befehl. Eine sinnvolle Folge von solchen Zahlencodes im Hauptspeicher, bzw. als Datei gespeichert, bildet demnach ein Programm. Es gibt nun verschiedene Arten, solche Programme zu erstellen:

• Direkte Eingabe des Binärcodes (äußerst umständlich und höchst fehleranfällig, seit den 1950er Jahren unüblich).
• Über einen Hex-Editor den Zahlen-Code in Opcodes zu schreiben (fehleranfällig).
• Mit einem Assembler: Assemblersprachen formulieren die Prozessorbefehle des Maschinencodes als Mnemonics in einer einfachen Syntax. Dieser Quelltext wird danach vom Assembler in den Maschinencode konvertiert.
• Ein Programm wird in einer Hochsprache geschrieben, danach von einem Compiler in Maschinencode übersetzt (kompiliert). In einem Zwischenschritt wird dabei häufig zuerst Objektcode erzeugt.
• Alternativ können Programme in einer Hochsprache auch – entweder nach Kompilierung in einen Zwischencode oder direkt – durch einen Interpreter abgearbeitet werden. Ein Beispiel hierfür ist die Programmiersprache Java, deren Zwischencode (auch Bytecode genannt) von einem Interpreter ausgeführt wird. Dies geschieht für den Benutzer transparent, wenn zum Beispiel ein Applet im Webbrowser ausgeführt wird. Neben Java werden auch sämtliche .NET-Sprachen, wie beispielsweise C#, in einen Zwischencode (englisch Intermediate Language) übersetzt, welcher anschließend zur Laufzeit innerhalb der CLR von einem JIT-Compiler in die entsprechende Maschinensprache übersetzt wird.
• Bei der Installation von Software, einschließlich des Betriebssystems, liegt diese oft bereits in Maschinencode für die jeweilige Plattform vor. Dies erspart dem Nutzer die Kompilierung des Programms.

Im folgenden Quelltext in der höheren Programmiersprache C wird die Summe der Zahlen 2 und 3 berechnet und das Ergebnis zurückgegeben:

int main() {
    int a = 2;
    int b = 3;
    int c = a + b;
    return c;
}

Ein solches Programm, würde es für einen x86-Prozessor kompiliert, könnte folgenden Maschinencode ergeben:

Ein Compiler könnte daraus zusammen mit weiteren notwendigen Informationen eine ausführbare Datei erzeugen. Zur Ausführung wird der Maschinencode vom Lader des Betriebssystems in den Arbeitsspeicher geladen. Anschließend ruft die Laufzeitumgebung die Funktion main() auf und die CPU beginnt mit der Abarbeitung der Maschinenbefehle.

Der Maschinencode entsteht beim Assemblieren bzw. beim Kompilieren der Quellcodedateien und wird vom „Linkage Editor“, ggf. unter Hinzufügen weiterer Module, als ausführbares Programm in einer Programmbibliothek bereitgestellt. Zur Ausführung wird dieses Programm in den Hauptspeicher geladen. Der Maschinencode dieser Programme enthält Befehle und Daten gemischt – wie dies bei Computern der Von-Neumann-Architektur möglich ist (im Gegensatz z. B. zur Harvard-Architektur).

Die Daten werden entsprechend dem festgelegten Speicherformat angelegt. Der Wert „12“ kann dabei z. B. folgendes Aussehen haben (Darstellung hexadezimal, in minimaler Länge):

F1F2 Text oder ungepackte Zahl

012C gepackt positiv, Speicherung je Zahl ein Halbbyte, am Ende ein Vorzeichen-Halbbyte.

012D gepackt negativ (dto)

0C binär positiv, entspricht B'00001100'

Bei längeren Datenfeldern existieren ggf. führende Nullen zusätzlich oder bei Text nachfolgende Leerstellen. Für jedes vorgesehene Datenfeld ist eine 'Adresse' festgelegt, an der es beginnt und wo es entsprechend seiner Länge und seinem Format gespeichert ist.

Die Befehle bestehen aus dem Befehlscode und – je nach Befehl – Parametern unterschiedlicher Struktur. Die nachfolgenden Beispiele sind hexadezimal dargestellt. Befehlsbeispiele:

C5.1C.92A4.8C2B (Trennpunkte nur zur besseren Lesbarkeit eingefügt):

C5 = Befehlscode für CLC = Compare logical character; Zeichenvergleich

1C = Länge minus 1 der zu vergleichenden Felder (bei 00 wird 1 Byte verglichen usw., hier also 29 Bytes)

92A4 = Adresse erster Operand: 9 = Basisregister, 2A4 = Distanz zum Register

8C2B = Adresse zweiter Operand: 8 = Basisregister, C2B = Distanz zum Register

47.80.B654:

47 = Befehlscode für BC = Branch on Condition: Sprungbefehl wenn Bedingung (aus Vorbefehl) erfüllt ist

8 = Bedingung; hier: wenn 'gleich', mnemotechnischer Assemblercode BE (branch on equal)

0 = optional Register, dessen Inhalt zur Sprungadresse hinzuaddiert wird; nicht bei '0'

B = Zieladresse (Basisregister)

654 = Zieladresse (Distanz); bei Inhalt von B = 6C4410 würde nach Adresse 6C4A64 verzweigt werden.

<usw>

Im Assemblercode könnte diese Codierung z. B. wie folgt aussehen:

CLC FELDA(29),FELDB

BE XXX

Von einer Hochsprache generiert könnte der Quellcode dagegen lauten:

IF Feld_A = Feld_B then GOTO XXX.

Bei „Bedingung erfüllt“ wird nach XXX (= reale Adresse 6C4A64) verzweigt, andernfalls wird im Maschinencode mit <usw> fortgefahren. Häufig generieren Hochsprachen zusätzliche Befehle, z. B. um Feldlängen oder Datenformate zu egalisieren, Register zu laden oder Adressen in Arrays zu berechnen.

Man erkennt, dass die Befehle unterschiedliche Längen aufweisen. Das Steuerwerk des Rechners erkennt die Länge an den ersten beiden Bits des Befehlscodes und schaltet das Befehlszählregister dementsprechend weiter. An genau dieser Stelle wird das Programm fortgesetzt – falls kein Sprungbefehl auszuführen ist.

Speicheradressen werden im Maschinencode immer durch eine (oder zwei) Registerangabe(n), zusätzlich optional durch eine im Befehl angegebene „Distanz“ dargestellt. Zur Ausführung wird beim Programmstart ein bestimmtes Register vom Betriebssystem mit der Adresse geladen, an die das Programm in den Speicher geladen wurde. Von diesem Wert ausgehend, werden im Programmcode (bei ASS programmiert, bei Hochsprachen generiert) die Basisregister geladen, wodurch die mit relativen Adressen versehenen Befehle die tatsächlichen Speicherstellen ansprechen.

Zur Ausführung von Systemfunktionen (wie Ein-/Ausgabebefehle, Abfrage von Datum/Uhrzeit, Tastatureingabe, Laden von Unterprogrammen u. v. a.) wird im Maschinenprogramm lediglich ein Systemaufruf mit dem Befehl 'SVC' (Supervisor Call) abgesetzt. Im zweiten Byte ist die auszuführende Funktion spezifiziert (Verzeichnis siehe^[3]); weitere Parameter für die Funktion werden über eine in ihrer Struktur festgelegte Datenschnittstelle übergeben, auf deren Adresse ein implizit vereinbartes (nicht im Befehl angegebenes) Register zeigt. Beispiel: X'05 08' = LOAD, Parameter = Pgm-Name etc. Die die aufgerufenen Funktionen ausführenden Befehle sind Maschinencode des Betriebssystems. Sie werden dort ausgeführt und führen anschließend zu dem dem SVC folgenden Befehl zurück.^[4]

Die im Folgenden genannten Mnemonics (Befehlskürzel) wurden exemplarisch gewählt und hängen von der Assemblersprache ab.

Adressierung und Ergebnisanzeige: Fast alle Befehle adressieren die betroffenen Speicherpositionen (häufig Quelle/Ziel, zu vergleichend/Vergleichswert usw.) über definierte Register. Ebenso gibt der Prozessor seine Ergebnisse und relevante Zusatzinformationen über festgelegte Register und/oder über Flags im Statusregister zurück. Dies ermöglicht es, im weiteren Programmablauf diese Informationen auszuwerten und darauf zu reagieren. Die Länge der Befehle und die Größe von Quell- und Zieloperanden können je nach Architektur unterschiedlich sein.

Beispiel: Ein Additionsbefehl wie ADC (add with carry) signalisiert dem weiteren Programmablauf ein Überschreiten des gültigen Wertebereichs über das Setzen des Carry- und Overflow-Flags hinaus.

Unterschiede: Der Befehlsvorrat einzelner Prozessoren ist unterschiedlich. Nicht alle Befehle sind auf jedem Prozessortyp und in jeder Prozessor-Generation verfügbar.

Beispiel: Ein einfacher Grundbefehl wie SHL/SHR, der einen Registerwert um eine bestimmte Anzahl von Stellen nach links oder rechts verschiebt ist schon im 8086 vorhanden. Die mächtigere Variante SHLD/SHRD, welche zusätzlich die entstehenden Leerstellen aus einem anderen Integerwert auffüllt, ist erst ab dem 80386 implementiert.

Mächtigkeit: Der Befehlsvorrat eines Prozessors stellt dabei Befehle unterschiedlich mächtiger Funktionalität bereit. Neben einfachen, einstufigen Grundoperationen stehen auch Befehle zur Verfügung, die mehrere Operationen in einem Befehl bündeln.

Beispiele: Der Befehl CMP (compare) ermöglicht den Vergleich zweier Werte auf <,>, =. Der Befehl XCHG (exchange) vertauscht die Positionen zweier Operanden. Der Befehl CMPXCHG (compare and exchange) kombiniert diese beiden Befehle und ermöglicht einen bedingungsabhängigen Datenaustausch in einem Befehl. Während der Befehl BT (bit test) nur den Zustand eines einzelnen Bits in einem Integerwert prüft, ermöglichen es die Befehle BTC, BTR, und BTS darüber hinaus, das geprüfte Bit abhängig vom Ergebnis der Prüfung zu setzen (BTS), zu löschen (BTR), oder zu invertieren (BTC).

Generell unterscheidet man zwischen CPUs mit RISC- (Reduced instruction set computer) oder CISC- (Complex instruction set computer) Befehlssatz. Erstere haben einen bedeutend weniger mächtigen Befehlssatz, können jeden einzelnen Befehl aber typischerweise in einem Taktzyklus abarbeiten. Moderne CPUs mit CISC-Befehlssatz (darunter fallen heute fast ausschließlich x86-kompatible CPUs) dekodieren zur schnelleren Abarbeitung die komplexen CISC-Befehle zur Ausführung intern in eine RISC-ähnliche Mikrocontroller-Sprache.

Performance: Jeder Befehl wird in einer in Datenblättern angegebenen Anzahl von Taktzyklen des Prozessors abgearbeitet. Deren Kenntnis ermöglicht es dem Programmierer (bei extrem zeitkritischen Anwendungen) beispielsweise, Befehle mit vielen Taktzyklen durch mehrere, in der Summe aber effizientere Befehle zu ersetzen.

Grundlegende Maschinen-Befehle lassen sich in folgende Kategorien unterteilen:

• Arithmetische Operationen: Führen Berechnungen durch (ADD, ADC, SUB, SBB, DIV, MUL, INC, DEC)
• Logische Operationen: Verknüpfen Bitfelder logisch miteinander (AND, OR, XOR, NOT)
• Bit-orientierte Operationen: Mit ihnen kann man einzelne Bits in einem Bitfeld genau ansprechen, auslesen (BSF, BSR), verschieben (SHL, SHR, RCL, RCR, ROL, ROR) bzw. manipulieren (BT, BTC, BTR)
• Speicheroperationen: Übertragen Daten zwischen Prozessorregistern (MOV, MOVSX, MOVZX, XCHG), innerhalb eines Registers (BSWAP), sowie Registern und Speicher
• Vergleichsoperationen: Vergleich von Werten mittels <, >, sowie = (CMP, TEST)
• Kombinierte Befehle aus Vergleichsoperationen, arithmetischen Operationen, und Datenaustausch (XADD, CMPXCHG)
• Steueroperationen: Verzweigungen, die den Ablauf des Programms beeinflussen
• Datenkonvertierung: Diese Befehle wandeln Werte von einer Darstellung in eine andere um, u. U. auch mit Verlust. Zum Beispiel: ein Byte in ein Word (CBW), einen Long-Integer in ein Byte (CVTLB) oder eine doppelte genaue Fließkommazahl in einen Integer (CVTSD2SI).

In vielen modernen Prozessoren sind die Befehle der Maschinensprache, zumindest die komplexeren unter ihnen, intern durch Mikroprogramme realisiert. Das ist insbesondere bei der CISC-Architektur der Fall.

• Assembler – Maschinennahes Programmieren von Anfang an. rororo Taschenbücher Nr. 61224 (2003), ISBN 3-499-61224-0.

1. ↑ Duden Informatik. ISBN 3-411-05232-5.
2. ↑ Maschinencode. In: Gabler Wirtschaftslexikon
3. ↑ Tabelle der SVC-Codes für IBM's MVS & OS/390 & z/OS
4. ↑ Supervisor Call instruction in der englischsprachigen Wikipedia