Язык программирования машин

Типы машинных языков программирования

• Язык низкого уровня:

  Язык низкого уровня очень близок к непосредственному программированию аппаратных средств. Инструкции архитектуры набора команд компьютера определяют точную формулировку его команд. Вот почему программа, написанная на языке низкого уровня для одного компьютера, не будет работать на другом. Существует два типа языков программирования низкого уровня:
  Машинный язык - это полностью закодированный язык, состоящий из двоичных чисел (единиц и нулей), которые компьютеры могут понимать и выполнять. Однако написание программ на машинном языке - это довольно интеллектуальное упражнение, так как необходимо работать в рамках ограничений, налагаемых строкой из 0 и 1.
  Язык ассемблера использует мнемоники - короткие кодовые слова, такие как ADD и SUB, для обозначения инструкций машинного языка - а также регистры, адреса и имена режимов, специфичные для архитектуры компьютера. Программисты используют инструмент ассемблера для преобразования программ на языке ассемблера в машинный код, что позволяет компьютеру выполнять их.

• Язык высокого уровня:

  Языки высокого уровня более похожи на человеческие языки и абстрагируют технические детали внутреннего устройства компьютера. Большинство новых языков создаются таким образом. Языки программирования, такие как C++, Java и Python, объединяют машинный и ассемблерный код для создания исполняемой программы. Однако для того, чтобы компьютер мог их выполнить, компиляторы или интерпретаторы должны сначала преобразовать инструкции языка высокого уровня в машинный код. Это упрощает работу программистов с программным обеспечением, поскольку им не нужно запоминать все о аппаратном обеспечении и наборах инструкций машинного языка. Языки высокого уровня также позволяют более просто писать, читать, отлаживать и поддерживать программы. Одна и та же программа может работать на разных компьютерах без изменений, если доступен соответствующий интерпретатор или компилятор. Большинство языков программирования стремятся быть максимально независимыми от конкретных компьютерных систем.

Особенности и функции машинного языка программирования

• Язык низкого уровня

  Основная функция машинного языка заключается в том, что он является языком низкого уровня, максимально приближенным к аппаратному обеспечению компьютера. Машинный язык использует числовые коды, которые центральный процессор (ЦП) компьютера может непосредственно выполнять. Каждая инструкция на машинном языке соответствует команде, которую компьютер может выполнить, отсюда и название машинный язык.

• Управление аппаратным обеспечением

  Когда программисты пишут программы на языке высокого уровня, им в конечном итоге приходится переводить эти программы на машинный язык (через компилятор или интерпретатор) для их выполнения. Это связано с тем, что на самом базовом уровне компьютер может понимать только двоичный код (0 и 1) своего машинного языка. Это делает машинный язык необходимым для управления аппаратными устройствами.

• Сложные инструкции

  Машинный язык позволяет программистам управлять ЦП и памятью компьютера с помощью сложных инструкций, представляющих арифметические, логические операции, управление потоком и манипулирование данными, необходимые для выполнения программы. Однако из-за своей зависимости от сложного двоичного кода программирование на машинном языке является громоздким и подверженным ошибкам.

• Атомные операции

  Подобно тому, как атомы являются основными строительными блоками всей материи, атомные операции - это основные действия, которые позволяют компьютерам выполнять сложные задачи с нуля. Машинный язык предоставляет набор атомных операций, которые облегчают программирование.

• Эффективность

  Программы, написанные на машинном языке, могут выполняться быстрее и потреблять меньше памяти, чем программы, написанные на языках более высокого уровня. Это связано с тем, что в большинстве случаев программы на языках более высокого уровня необходимо переводить на машинный язык перед выполнением, что добавляет дополнительное время и требует больше компьютерной памяти для хранения программы более высокого уровня во время перевода и выполнения.

• Зависимость от аппаратного обеспечения

  Программы на машинном языке специально разработаны для определенного типа компьютерного оборудования, что является одновременно преимуществом и недостатком. Это преимущество, поскольку оно позволяет программистам в полной мере использовать уникальные особенности и возможности компьютера. Однако это делает машинный язык менее переносимым, поскольку программа, написанная для одного типа оборудования, не может работать на другом типе без изменений.

• Основные функции машинного языка

  Особенности машинного языка программирования включают в себя: язык низкого уровня и максимально тесную связь с оборудованием компьютера, использование двоичного кода, который ЦП может непосредственно выполнять, и управление аппаратным обеспечением компьютера. Машинный язык определяет набор инструкций, которые управляют ЦП и манипулируют памятью, позволяя выполнять сложные операции. Программирование на машинном языке обеспечивает эффективность и позволяет программистам в полной мере использовать уникальные особенности и возможности компьютера. Однако это делает машинный язык менее переносимым, поскольку программы, написанные для одного типа оборудования, не могут работать на другом типе без изменений.

Сценарии использования машинного языка программирования

Машинные языки программирования необходимы для программирования различных аппаратных систем в современной промышленности и повседневной жизни. Вот ключевые примеры использования машинного языка для программирования машин:

• Разработка встроенных систем

  Во встроенных системах с микроконтроллерами и ЦП, выполняющими машинные программы, машинные языки необходимы для создания встроенного программного обеспечения, которое обеспечивает автоматическую работу таких встроенных систем, как стиральные машины, калькуляторы и другие электронные устройства. Разработчики используют язык ассемблера с наборами машинных команд для записи прошивки, которая позволяет пользователям управлять опциями с помощью кнопок и экранов. Встроенная прошивка запускает эти аналогичные машины и запрограммированные устройства.

• Разработка прикладного программного обеспечения

  Машинные языки предоставляют разработчикам приложений возможность создавать оптимальные приложения для компьютеров и мобильных устройств на низком уровне. Операционные системы, такие как Microsoft Windows, Android и iOS, содержат миллионы строк кода, написанного на языках высокого уровня, таких как C++ и C#, и требуют компиляции в машинный код. Другие программы, такие как драйверы, которые помогают в общении с оборудованием, можно создавать с помощью машинных языков. При правильном написании эти приложения обеспечивают беспроблемное взаимодействие с пользователем и реализацию системных ресурсов.

• Разработка игр

  Машинное программирование является неотъемлемой частью создания цифровых игр. Язык ассемблера обеспечивает разработчикам игр высокую эффективность на низком уровне и прямое программирование GPU/CUDA для максимальной производительности и скорости рендеринга. Современные игры - это тяжелые и сложные приложения, с графикой, физикой и AI-кодом, переплетенные друг с другом. Поэтому игровые движки основаны на оптимизированном коде низкого уровня, включая библиотеки и API, которые взаимодействуют с оборудованием. Цифровые игры компилируются в машинный код для выполнения на игровых консолях, ПК и мобильных устройствах.

• Высокопроизводительные вычисления (HPC)

  Машинное программирование важно для приложений, требующих параллельной обработки и оптимизации на низком уровне. Научные вычисления, моделирование и анализ данных могут потребовать прямого аппаратного программирования с помощью таких языков, как CUDA и OpenCL. Эти языки программирования позволяют более эффективно использовать вычислительные кластеры, суперкомпьютеры и т.д. Машинные языки также позволяют более эффективно использовать системные ресурсы в вышеупомянутых случаях.

• Системное программирование

  Машинный язык программирования имеет решающее значение для создания системного программного обеспечения низкого уровня, которое непосредственно управляет аппаратным обеспечением компьютера. К этому программному обеспечению относятся драйверы устройств, необходимые для работы аппаратных компонентов. Машинные языки позволяют системным программистам писать код, который взаимодействует с периферийными устройствами, контроллерами и другими устройствами на уровне оборудования. Примерами системного программного обеспечения являются утилиты для управления файлами, процессами и системными ресурсами.

• Системы реального времени

  Программирование на машинном языке позволяет разработчикам писать точный и критически важный по времени код для приложений, требующих обработки в реальном времени. К таким приложениям относятся промышленные роботы, медицинские устройства и т.д. Язык ассемблера полезен во встроенных системах, где время и реакция имеют решающее значение. Примерами таких приложений являются приложения, упомянутые выше.

Как выбрать машинный язык программирования

• Целевая платформа:

  Платформа, для которой предназначен код, играет решающую роль в выборе языка программирования. C и язык ассемблера - лучшие варианты для системного программирования (ОС, компиляторы и аппаратное программирование), поскольку они обеспечивают доступ к низкому уровню и эффективность. В зависимости от уровня приложения могут быть уместны языки высокого уровня с обширными библиотеками.

• Обработка и обработка данных:

  Чтобы знать, какой язык программирования выбрать, нужно понимать, что язык - это инструмент, а не решение. Для новичка важно тщательно выбирать задачи программирования, так как время и ресурсы могут быть ограничены. Данные, которые необходимо обрабатывать, хранить и передавать, повлияют на выбор между языками низкого и высокого уровня. Содержание и структура данных будут определять выбор машинного языка программирования.

• Разработка сложных систем:

  Разработка программных решений для сложных систем требует языков программирования, которые поддерживают модульность, абстракцию и управление кодом. Такие языки, как C++, Java и Python, предлагают объектно-ориентированные возможности программирования (ООП), которые облегчают создание сложных систем за счет инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

• Производительность и эффективность:

  Для системного программирования или сценариев, где важно оптимальное использование ресурсов, языки низкого уровня (LLLs), такие как C и C++, могут быть более подходящими, чем их аналоги более высокого уровня. В то время как HLLs упрощают скорость разработки и уделяют больше внимания человеческим факторам, чем эффективности машины, LLLs предлагают более детальный контроль над аппаратными ресурсами.

• Сообщество и отраслевые стандарты:

  Популярность языка программирования влияет на его экосистему и поддержку сообщества. Выбор языка с широким внедрением обеспечивает достаточное количество ресурсов, библиотек, фреймворков и знаний сообщества для повышения производительности. Отраслевые стандарты способствуют удобству работы в областях с установленными нормами и практикой.

• Особенности и парадигмы языка:

  Разные машинные языки программирования предлагают различные конструкции, синтаксис и поведение. Эффективное использование сильных сторон языка предполагает понимание его тонкостей и их эффективное применение. Это также включает в себя понимание его слабых сторон, чтобы избежать непреднамеренного неправильного использования функций, которые могут препятствовать производительности или привести к ошибкам.

Q & A

В: Как еще называют языки машинного программирования?

О: Помимо машинного языка, другие языки программирования - это Baseline, Assembly и ASM. Их называют языками низкого уровня, потому что они находятся на один шаг ближе к машинному коду.

В: Каковы преимущества программирования на машинном языке?

О: Написание программ на машинном языке позволяет осуществлять непосредственное взаимодействие между программой и аппаратным обеспечением компьютера. Это обеспечивает эффективность во время выполнения и скорость программы, поскольку нет необходимости сначала переводить какой-либо другой код.

В: В чем разница между машинным языком и языком ассемблера?

О: Язык ассемблера - это язык программирования низкого уровня, который более абстрактен, чем машинный язык, но все же тесно связан с архитектурой компьютера. Язык ассемблера использует мнемоники и символы, которые программистам легче запоминать, чем двоичный код.

В: Как компилятор преобразует языки программирования высокого уровня в машинный код?

О: Компилятор сканирует исходный код программы построчно и переводит его в машинный код. После этого машинный код оптимизируется для целевого компьютера. Затем компоновщик объединяет несколько файлов программы, чтобы создать исполняемый файл.