低レベルプログラミング言語

低レベルプログラミング言語は、コンピュータの命令セットアーキテクチャからの抽象化をほとんどまたはまったく提供しないプログラミング言語です。言語内のコマンドまたは関数は、構造的にプロセッサの命令に似ています。一般的に、これはマシンコードまたはアセンブリ言語のいずれかを指します。言語とマシン言語間の抽象化が低いため (したがって、この言葉は低レベル言語を「ハードウェアに近い」と表現することがあります。低レベル言語で書かれたプログラムは、特定のタイプのシステムアーキテクチャに最適化されているため、比較的移植性が低い傾向があります。 ^{[1] [2] [3] [4]}

低水準言語は、コンパイラやインタープリタなしでマシンコードに変換できます。第2世代プログラミング言語^{[5] [6]は、}アセンブラと呼ばれるより単純なプロセッサを使用し、結果として得られるコードはプロセッサ上で直接実行されます。低水準言語で書かれたプログラムは、小さなメモリフットプリントで非常に高速に実行できます。同等のプログラムを高水準言語で書くと、効率が悪くなり、より多くのメモリを使用する可能性があります。低水準言語は単純ですが、プログラマが覚えておかなければならない技術的な詳細が多数あるため、使いにくいと考えられています。これに対して、高水準プログラミング言語は、コンピュータアーキテクチャの実行セマンティクスをプログラムの仕様から分離するため、開発が簡素化されます。^[1]

マシン コードとは、直接実行できるコードをコンピューターに保存する形式です。マシン コードは、メモリに保存されるマシン言語命令で構成され、メモリ位置への値の移動、算術およびブール ロジック、値のテストなどの操作を実行し、テストに基づいてメモリ内の次の命令を実行するか、別の位置で命令を実行します。

マシンコードは通常、バイナリデータとしてメモリに保存されます。プログラマーはマシンコードで直接プログラムを書くことはほとんどなく、代わりにアセンブリ言語または高水準プログラミング言語でコードを記述します。^[1]

機械語で書かれたプログラムはほとんどありませんが、プログラマーはコアダンプを扱ったり、フロントパネルからデバッグしたりすることで、機械語の読み方を習得することがよくあります。

n番目のフィボナッチ数を計算するx86-64マシン コードの 16 進表現の関数の例。各行は 1 つの命令に対応します。

89 f8
85以降
74 26
83 以降 02
76 1c
89 f9
バ 01 00 00 00
01 00 00 00 になる
8日 04 16
83 f9 02
74 0日
89 d6
ffc9
89 c2
ebf0 は
b8 01 00 00
c3

第二世代言語は、マシンコードの上に抽象化レベルを 1 つ提供します。TX -0やPDP-1などのコンピューターでコーディングが始まった当初、 MIT の ハッカーが最初に行ったのはアセンブラの作成でした。^{[7]アセンブリ言語には}セマンティクスや形式仕様 がほとんどなく、シンボリック アドレスなどの人間が読める記号を、オペコード、アドレス、数値定数、文字列などにマッピングするだけです。通常、1 つのマシン命令は、一般にニーモニックと呼ばれる 1 行のアセンブリ コードとして表されます。^[8]アセンブラは、他のオブジェクト ファイルとリンクしたり、単独で ロードしたりできるオブジェクト ファイルを生成します。

ほとんどのアセンブラは、共通の命令シーケンスを生成するための マクロを提供します。

例: 上記と同じフィボナッチ数計算機ですが、 AT&T 構文を使用した x86-64 アセンブリ言語で記述されています。

fib: 
movl %edi , %eax ; 引数を %eax に格納しますtestl %edi , %edi ; ゼロですか? je .return_from_fib ; はい - すでに %eax にある 0 を返しますcmpl $2 , %edi ; 2 はそれより大きいか等しいですか? jbe .return_1_from_fib ; はい (つまり、1 または 2) - 1 を返しますmovl %edi , %ecx ; いいえ - カウンターとして使用するために %ecx に格納しますmovl $1 , %edx ; シーケンスの前の数字。最初は 1 ですmovl $1 , %esi ; その前の数字。これも 1 から始まります.fib_loop: leal ( %rsi , %rdx ), %eax ;前の 2 つの数値の合計を %eax に格納しますcmpl $2 , %ecx ; カウンターは 2 ですか? je .return_from_fib ; はい - %eax に結果が含まれていますmovl %edx , %esi ; 前の数値を前の数値の 1 つ前の数値にしますdecl %ecx ; カウンターをデクリメントしますmovl %eax , %edx ; 現在の数値を前の数値にしますjmp .fib_loop ; 続けます.return_1_from_fib: movl $1 , %eax ; 戻り値を 1 に設定します.return_from_fib: ret ; 戻り                  
                 
             
                    
          
                  
                    
                    

           
                    
             
                  
                       
                  
                   

                    

                            

このコード例では、 x86-64 プロセッサのレジスタに名前が付けられ、直接操作されます。関数は、x86-64 の System V アプリケーション バイナリ インターフェイスに従って から 32 ビットの引数をロードし、終了%ediして に戻るまで、、、、およびレジスタの値を操作して計算を実行します。このアセンブリ言語には、値を返すという概念がないことに注意してください。結果は、これも System V アプリケーション バイナリ インターフェイスに従ってレジスタに格納されているので、命令はスタックの最上位の 64 ビット要素を削除し、次の命令をその場所からフェッチします (その命令は通常、この関数を呼び出した命令の直後の命令です)。関数の結果は に格納されます。x86-64 アセンブリ言語では、関数に値を渡したり、関数から値を返すための標準は規定されていません (実際、関数の概念はありません)。これらは、特定の命令セットの System V ABI などの アプリケーション バイナリ インターフェイス(ABI) によって定義されます。%eax%ecx%esi%edi%eaxret%eax

これをCの同じ関数と比較してみましょう。

unsigned int fib ( unsigned int n ) { if ( ! n ) { return 0 ; } else if ( n <= 2 ) { return 1 ; } else { unsigned int f_nminus2 , f_nminus1 , f_n ; for ( f_nminus2 = f_nminus1 = 1 , f_n = 0 ; ; -- n ) { f_n = f_nminus2 + f_nminus1 ; if ( n <= 2 ) { return f_n ; } f_nminus2 = f_nminus1 ; } } }    

     
    
         
    
        
    
         
    
    
    
                   
                  
        
                
               
            
                 
            
              
        
    

このコードは構造的にはアセンブリ言語の例に似ていますが、抽象化の点では大きな違いがあります。

• 入力 (パラメータn) は、ハードウェア上の保存場所を指定しない抽象化です。実際には、C コンパイラは、可能な呼び出し規約の 1 つに従って、入力の保存場所を決定します。
• ローカル変数f_nminus2、f_nminus1、 は、f_nハードウェア上の特定の格納場所を指定しない抽象化です。C コンパイラは、ターゲット アーキテクチャに対して実際にそれらを格納する方法を決定します。
• return 関数は返す値を指定しますが、その値を返す方法は指定しません。特定のアーキテクチャの C コンパイラは、値を返すための標準メカニズムを実装します。x86 アーキテクチャのコンパイラは、通常 (常にではありませんが) %eax、アセンブリ言語の例のようにレジスタを使用して値を返します (アセンブリ言語の例の作成者は、 x86-64 規則に System V アプリケーション バイナリ インターフェイスを使用することを選択しましたが、アセンブリ言語ではこれは必要ありません)。

これらの抽象化により、C コンパイラが記述されているあらゆるアーキテクチャで、C コードを変更せずにコンパイルできるようになります。x86 アセンブリ言語コードは、x86-64 アーキテクチャと、そのアーキテクチャの System V アプリケーション バイナリ インターフェイスに固有です。

1960 年代後半から 1970 年代にかけて、PL/S、BLISS、BCPL、拡張ALGOLおよびNEWP ( Burroughs 大規模システム/Unisys Clearpath MCP システム用)、Cなど、低レベル プログラミング機能にある程度アクセスできる高級言語が導入されました。この方法の 1 つがインライン アセンブリです。これは、この機能をサポートする高級言語にアセンブリ コードを埋め込むものです。これらの言語の一部では、アーキテクチャに依存するコンパイラ最適化ディレクティブを使用して、コンパイラがターゲット プロセッサ アーキテクチャを使用する方法を調整すること もできます。

Cのような言語は高水準ですが、他の言語のようにメモリを管理する機能を完全に抽象化しているわけではありません。^[9] Pythonのような高水準言語では、インタープリタとマシン間の抽象化のため、プログラマはメモリに直接アクセスできません。そのため、Cではメモリ割り当て（malloc）などのツールを通じてメモリ管理ツールを公開することで、より多くの制御が可能になります。^[10]

さらに、上で参照したように、次の C ブロックは GNU コンパイラからのものであり、C のインライン アセンブリ機能を示しています。GCC ドキュメントによると、これは単純なコピーと追加のコードです。このコードは、C のような一般的な高レベル言語と、その中/低レベルの対応部分であるアセンブリとの相互作用を示しています。これによって C がネイティブの低レベル言語になるわけではありませんが、これらの機能により、相互作用がより直接的に表現されます。^[11]

int src = 1 ; int dst ;   
    

asm ( "mov %1, %0 \n\t " "add $1, %0" : "=r" ( dst ) : "r" ( src )); 
    
       
      

printf ( "%d \n " , dst ); 

• Zhirkov, Igor (2017).低レベルプログラミング: C、アセンブリ、および Intel 64 アーキテクチャでのプログラム実行。カリフォルニア: Apress。ISBN 978-1-4842-2402-1。