Einführung in die moderne Assembler-Programmierung (eBook)

Thema

Ein Buch wie dieses steht vor der Herausforderung, unterschiedlichen Lesergruppen gerecht zu werden: von Neulingen an der Universität, die vielleicht zum ersten Mal in die Eingeweide eines Prozessors blicken, bis hin zu Vollprofis, die vermutlich bereits mehr über Assembler vergessen haben, als der Autor jemals wissen wird. Wir werden für die erste Gruppe am Anfang Begriffe erklären und Hintergründe erläutern. Je tiefer wir in die Materie eindringen, desto mehr Wissen setzen wir als bekannt voraus.

Was ist Assembler (ganz kurz)?

Eigentlich sind Computer fürchterliche Geräte. Sie verstehen nur Zahlen, was Menschen langfristig nicht guttut. Zudem gehen sie in winzigen Arbeitsschritten vor, was uns nur deswegen nicht auffällt, weil sie jeden einzelnen dieser Schritte sehr schnell ausführen. Auf dieser untersten, menschenfeindlichen Ebene der Programmierung sprechen wir von der »Maschinensprache«, auf Englisch machine language.

Um die Arbeit mit Computern für Nicht-Freaks erträglich zu machen, wird die Maschinensprache unter einem Berg von Abstraktionen versteckt. Dazu gehören Hochsprachen wie Python oder Rust, die von speziellen Programmen wie Compilern oder Interpretern über Zwischenschritte in Maschinensprache übersetzt werden. Bei einer Low-Code-Entwicklungsumgebung werden grafische Elemente zusammengeklebt, sodass – wenn überhaupt – nur »niedrige« Programmierkenntnisse erforderlich sind. Die gegenwärtig höchste Abstraktionsstufe sind die Anweisungen an eine Künstliche Intelligenz (KI), die »Prompts«.

»Assembler« ist in diesem Modell die erste Abstraktionsebene nach der Maschinensprache. Das Wort kommt von dem englischen Verb to assemble, hier im Sinne von »aus Einzelteilen zusammensetzen« und nicht von »Menschen sammeln sich« wie der Schlachtruf Avengers assemble! bei Marvel. Vereinfacht gesagt wird dabei jeder Maschinenbefehl 1:1 durch einen Assembler-Befehl abgebildet, der aus mehr oder weniger leicht zu merkenden Abkürzungen besteht. Das Problem der winzigen Arbeitsschritte bleibt. Der Katalog aller Befehle eines Prozessors ist sein »Befehlssatz«, auf Englisch instruction set.

Da jede Prozessorfamilie eine andere Maschinensprache mitbringt, die sich zum Teil auch noch von Prozessormodell zu Prozessormodell unterscheidet, gibt es viele Varianten von Assembler. Wir sprechen von dem jeweiligen Befehlssatz eines Modells oder einer Chip-Familie, der instruction set architecture (ISA). Neben dem RISC-V-Befehlssatz gibt es etwa den x86 bei Intel und AMD bei klassischen PCs sowie die Arm-Befehlssätze insbesondere bei mobilen Geräten.

Der unvermeidliche geschichtliche Überblick

Dieses Programm hätte die traumhafte Laufzeit von 32 Millisekunden, aber den alptraumhaften Speicherbedarf von 24 KByte.

– Peter-Mattias Oden, Grafik-Tuning. Schneller Bildaufbau mit 6502-Prozessoren am Beispiel des Apple II (1984)

Als Erfinderin von Assembler gilt Kathleen Booth vom Birkbeck College in London – das war 1947. [BK] Zwar wurde sogar noch die erste Version des IBM-Mainframe-Betriebssystems OS/360 1966 in Assembler geschrieben. Allerdings ging es dann wegen des Aufstiegs von höheren Sprachen wie Fortran, Lisp und Cobol bergab. Assembler galt als tot. [SD]

Der Aufstieg der Acht-Bit-Computer auf der Grundlage von Prozessoren wie dem 6502 oder Z80 Mitte der 70er Jahre brachte eine Auferstehung. [SD] Zunächst gab es keine Compiler für diese Mikroprozessoren (MPU). Wer die maximale Leistung aus der Kiste holen wollte, kam an Assembler nicht vorbei. Computerzeitschriften wie c’t waren in den 80er Jahren entsprechend noch ein Stück mehr hardcore als heute und muteten ihren Lesern seitenweise Listings von Assembler-Mathematik und -Grafikcode zu. Assembler auf diesen Prozessoren machte einfach Spaß, nicht zuletzt weil die Befehlssätze für Menschen geschrieben wurden.

Mit einer größeren Leistungsfähigkeit der Rechner wurden allerdings auch die Compiler immer besser. Der Aufwand, einen schnelleren Code per Hand zu schreiben, lohnte sich immer weniger. Zudem traten die x86-Prozessoren ihre jahrzehntelange Dominanz an mit riesigen, barocken Befehlssätzen, die für Normalsterbliche kaum zu durchdringen waren und dazu noch mit Nutzungseinschränkungen bewehrt sind. Assembler wurde bestenfalls für Bootloader verwendet, und wer das machen musste, tat es meistens fluchend. Die Befehlssätze werden seitdem und bis heute für Compiler entworfen. Wenn es um die Praxis ging, schien Assembler tot, schon wieder.

Also warum dann jetzt noch Assembler?

I could skip the middleman and talk right to the machine. (…) I could talk to God, just like IBM. [TK]

– Tracy Kidder, The Soul of a New Machine (1981)

Vermutlich sollte an dieser Stelle eine flammende Rede für den Nutzen von Grundwissen über Assembler in der Computerwissenschaft stehen – dass erst damit klar wird, wie die Maschine auf der untersten Ebene funktioniert, dass dieses Wissen für den Compilerbau unabdingbar ist, dass es bei der Optimierung von Code helfen kann. Das ist auch alles wahr.

Allerdings müssen wir der Realität ins Auge sehen: Eine Menge Leute lernen im 21. Jahrhundert Assembler nur, weil es Teil eines Pflichtkurses an der Uni ist. Deswegen ist dieses Buch erstens kurz und zweitens befasst es sich mit RISC-V. Wie wir gleich ausführlicher sehen werden, geht dieser Befehlssatz auf frustrierte Informatik-Dozenten zurück, die unter anderem ein besseres Werkzeug für die Lehre haben wollten. Der minimalistische Kern-Befehlssatz kann selbst den desinteressierten Massen im Grundkurs zugemutet werden, die danach nie wieder irgendwas mit Assembler zu tun haben (wollen).

Profis werden dagegen vermutlich die ersten Teile des Buches überspringen und sich auf RISC-V konzentrieren wollen. Es gibt immer noch Situationen, wo es Assembler sein muss, zum Beispiel die Portierung von Betriebssystemen auf neue Prozessoren. Der langsame, aber stetige Aufstieg von RISC-V in der Industrie zwingt mehr Leute dazu, sich mit diesem Neuling zu beschäftigen. Diese Teile des Buches sind daher auch zum Nachschlagen gedacht und absichtlich etwas nüchterner geschrieben (wenn auch nicht viel). Profis haben ja keine Zeit.

Langfristig sollten diese beiden Lesergruppen deckungsgleich werden: Ein Ziel von RISC-V ist, dass im Studium derselbe Befehlssatz gelehrt wird, der auch in der Praxis verwendet wird. Die Neueinstellungen würden dann nützliches, sofort einsetzbares Wissen von der Uni mitbringen, was einem kleinen Wunder gleichkäme.

Hobby-Coder als dritte Gruppe sind dagegen nicht nur die Spiel-, sondern auch die Glückskinder der Programmierwelt. Sie können tun, was sie wollen, in welcher Sprache sie es wollen, so lange, wie sie es wollen. Ihre Projekte können den praktischen Nutzen eines überfahrenen Stinktiers haben. Assembler coden sie entsprechend zum Spaß, auch wenn ihnen besorgte Bekannte T-Shirts schenken mit Schriftzügen wie »Hauptsache, es tut weh«.

Der große Feind des Hobby-Coders sind Updates und neue Features. Neben Familie und Job und was sonst noch im Leben wirklich wichtig ist bleibt ein Projekt manchmal so lange liegen, bis sich Staub auf der Tastatur sammelt. Wer sich dann erst in neue Frameworks, Funktionen oder Updates reinfuchsen muss, kommt weniger zum Programmieren. Lizenzbedingungen können ein weiteres Problem sein. Es ist daher kein Wunder, dass sich viele Freizeit-Assembler-Fans in die Retro-Programmierung etwa des 6502 aus dem Acht-Bit-Zeitalter geflüchtet haben. RISC-V macht jetzt damit Schluss: Der Befehlssatz ist nicht nur kurz, sondern auch »eingefroren« und ändert sich nicht wieder.

Für diese Gruppe ist insbesondere der dritte und letzte Teil des Buches gedacht. Die dort vorgestellten Routinen, Verfahren und Programme würden von vernünftigen Menschen in einer Hochsprache geschrieben (oder gar nicht), der Stoff bietet jedoch tiefere Einblicke in die Assembler-Welt. Für die ganz Harten diskutieren wir schließlich am Ende noch weitergehende Projekte, die zu umfangreich für dieses Buch wären. An ihnen dürften nur noch zwei Gruppen Freude haben: sadistische Dozenten und masochistische Hobby-Coder. T-Shirts für alle!

Was ist RISC-V?

The most pervasive change in this edition is switching from MIPS to the RISC-V instruction set. We suspect this modern, modular, open instruction set may become a significant force in the information technology industry. It may become as important in computer architecture as Linux is for operating systems.

– Hennessy und Patterson, Computer Architecture:
A Quantitative Approach (2019)

RISC-V wird auf Englisch »risk five« ausgesprochen und als »Risk fünf« eingedeutscht, auch wenn einige KIs gegenwärtig...