C語言與匯編語言的區(qū)別
從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)多年，對于軟件方面，從初期的單片機(jī)匯編語言編程，到后來的C++界面程序編寫，已有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)累積。正是有了多年的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，對于匯編與高級(jí)語言在原理及應(yīng)用等方面形成了自已的一些理解，也是我經(jīng)常思考的問題，但一直沒有以書面的方式記錄下來，今天之所以寫下這些文字，正是想做一個(gè)歸納，日后也好參考。
其實(shí)，C語言與匯編語言的區(qū)別一直是程序員們津津樂道的話題。如果你問一個(gè)程序員這樣的問題，他也許會(huì)這么回答你：“C語言可讀性好，代碼便于維護(hù)，便于開發(fā);匯編語言編寫的程序不容易看懂，可維護(hù)性不好，但是執(zhí)行效率高。”這樣回答是沒有錯(cuò)的，但只是一個(gè)概括，不夠深入。比方說，匯編語言為什么執(zhí)行效率比C語言高呢?C語言的可讀性又好在哪里呢?匯編語言不同樣可以用注解來提高可讀性嗎?等等這些的問題。要真正能回答這些問題，不是一件簡單的事情，也不是三言兩語能解釋得清的，需要比較徹底地分析匯編與C的本質(zhì)上的區(qū)別。
先說匯編，寫過匯編的程序員都知道，“匯編語言實(shí)質(zhì)上機(jī)器語言的助記符。”這句話需要這樣來解析：1.CPU只能運(yùn)行它所支持的指令集，而這些指令集當(dāng)中的每天條指令都是一些二進(jìn)制數(shù)的序列，也就是“0”和“1”的有序組合;2.“0”和“1”的組合不便于程序員的記憶因此有了“MOV A 0x40”等這樣的助記符，也就是說在程序員編寫程序的時(shí)候，用“MOV A 0x40”來代替一串“0”和“1”的序列，這樣一看就知道是吧“0x40”單元中的數(shù)據(jù)搬到累加器A當(dāng)中來。而如果是用0”和“1”的序列，毫無特征，很難被程序員記住。這也是為什么要有匯編語言產(chǎn)生的原因了。
以上對匯編語言的解釋基本上就道出了匯編語言的本質(zhì)，知道了匯編語言的本質(zhì)，我們不難理解，匯編語言編譯成CPU可執(zhí)行的機(jī)器語言其實(shí)只要做一個(gè)翻譯的動(dòng)作就好了，因?yàn)椋浄c對應(yīng)的二進(jìn)制指令是一一對應(yīng)的。進(jìn)而，我們再來解釋為什么匯編語言會(huì)比C語言有更高的執(zhí)行效率。
首先，我們要理解一點(diǎn)，類似于C的高級(jí)語言面對的對象是程序員，而不是CPU，為什么這樣說呢?原因非常簡單，CPU不認(rèn)識(shí)C語言，CPU只認(rèn)識(shí)以“0”“1”形式存在的指令。而C語言的所有語法以及它代碼組織形式都是有助于程序員編寫代碼的。所以，C語言編寫完程序后，需要通過編譯器將C語言編譯成與相應(yīng)CPU指令集對應(yīng)的機(jī)器語言。
問題來了，前面我們說過，匯編語言與機(jī)器語言是一一對應(yīng)的。但是C語言呢?當(dāng)然沒這么好事了。C語言的語法是固定的，C語言編寫的程序要編譯成CPU能讀懂的機(jī)器語言指令沒辦法一一對應(yīng)，所以就需要有編譯規(guī)則了。比方說一個(gè)for循環(huán)會(huì)有若干條實(shí)現(xiàn)對應(yīng)for循環(huán)功能的機(jī)器指令對應(yīng)，而一個(gè)switch，也相應(yīng)會(huì)有機(jī)器指令段代替。所以C語言最終要編譯機(jī)器代碼，必須要遵從許許多多的這樣的規(guī)則才行。
我試驗(yàn)過，用C編寫一個(gè)簡單的程序，比方說只包含一個(gè)for循環(huán)，編譯出的代碼和用匯編寫的最優(yōu)代碼幾乎是一樣。但代碼量一大，由于受制于規(guī)則(不受制也不行呀，否則編不出來)，編出來的代碼與用匯編語言寫出來的代碼相比就走了不少“彎路”了。雖然說，現(xiàn)在的很多C編譯器在編譯的時(shí)候都會(huì)有優(yōu)化，但是，不可能做得到效率上等同于與機(jī)器語言一一對應(yīng)的匯編語言的效率。畢竟，匯編語言可以理解為直接就是面對CPU的，只不過是機(jī)器語言用助記符代替而矣。
以上只是兩種語言效率上區(qū)別的一個(gè)主要原因，其實(shí)，對于資源的利用上，匯編語言同樣有優(yōu)勢。匯編是直接面對CPU的語言，只要是在指令集支持的范圍內(nèi)，匯編語言可以直接而靈活地管理包括特殊功能寄存器、通用寄存器、存儲(chǔ)單元的每一個(gè)字節(jié)，甚至是每一個(gè)bit。C語言對內(nèi)存的使用及管理功能也是很強(qiáng)大的，但畢竟還是受制于語法。
舉個(gè)最簡單的例子，C語言當(dāng)中沒有對應(yīng)三字節(jié)或是五字節(jié)的變量類型，要么int型，要么long型，所以每次申請必須是固定的字節(jié)數(shù)，勢必造成內(nèi)存使用上的浪費(fèi)。而大部份匯編語言根本沒有這樣的語法，在偽指令的幫助下(其實(shí)也只是提高可讀性)，匯編語言程序可以使用任意字節(jié)數(shù)的變量，當(dāng)然處理起來比C語言麻煩得多，最終還是一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)地拼接處理，而用C語言寫程序就輕松了，不用管這些，最終編譯器會(huì)搞定嘛。而輕松的代價(jià)就是造成了浪費(fèi)。而內(nèi)存使用效率不高同時(shí)也會(huì)影響到整個(gè)程序的整體效率。
匯編的最后部份，來說明一下偽批令這個(gè)東西吧。一個(gè)不善于用偽指令寫匯編程序的程序員不是一個(gè)好的程序員，這就和寫C語言不用宏是一個(gè)道理。偽批令存在價(jià)值在于他提高了匯編語言的可讀性，同時(shí)也能簡化匯編語言的編程。比方說最通用的創(chuàng)建立即數(shù)名稱，而不是用二進(jìn)制或十六進(jìn)制數(shù);創(chuàng)建數(shù)據(jù)表;ARM當(dāng)中的創(chuàng)建全局及局部變量等。這個(gè)不多說了，針對于不同的MCU或CPU有不同的偽指令。
再來說說C吧，C語言豐富而實(shí)用的語句決定了C語言程序靈活性以及強(qiáng)大的代碼組織能力。利用C語言，我們可以很方便地編寫出龐大的工程，在版本管理工具的幫助下，可以很輕松地實(shí)現(xiàn)多人協(xié)作編程。特別是引入RT-OS以后，C語言的程序框架更加靈活了，添加功能(任務(wù))更加輕松。因?yàn)，所有的任?wù)的調(diào)控可以直接交給操作系統(tǒng)來做，而程序員需要做的是編寫任務(wù)(含一個(gè)或多個(gè)功能模塊)的內(nèi)容，以及設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，堆棧數(shù)等等。而任務(wù)間的通信可以擺脫“全局變量”這個(gè)禍害，完全可以通過信號(hào)量、郵箱、隊(duì)列等形式來溝通。為什么說“全局變量”是禍害呢?單程序量不大的時(shí)候，“全局變量”可能是好東西，因?yàn)榉奖懵，哪都能改它，哪都能讀它。
可是，一旦程序大了，源碼文件一多，如果都習(xí)慣用全局變量來傳遞及存貯共用量的話，災(zāi)難就會(huì)降臨。你會(huì)看到數(shù)以千計(jì)的全局變量在各各函數(shù)間縱橫交錯(cuò)，如果這些變量不是你創(chuàng)建的，你會(huì)很難知道它的作用，因?yàn)橄到y(tǒng)太大了，它出現(xiàn)的地方太多了，而且，像這樣的變量實(shí)在太多，你會(huì)因此而感到恐懼，相信很多有經(jīng)驗(yàn)的程序員都經(jīng)歷過吧!然而，這將埋下系統(tǒng)崩潰級(jí)別的隱患。
因?yàn)，這些全局變量太多，而且出現(xiàn)在太多的地方，很難完全統(tǒng)計(jì)出哪些地方可能會(huì)修改它們，一量有遺漏，變量的值可能就會(huì)和我們想要的值有出入，后果非常嚴(yán)重。更有甚者，當(dāng)全局變量是指向數(shù)組的指針或者是數(shù)組本身的時(shí)候。有的程序員可能對多得數(shù)不清的這些變量感到困惑，容易犯的一個(gè)錯(cuò)誤是寫這些全局?jǐn)?shù)組時(shí)沒有加以保護(hù)，經(jīng)常都會(huì)寫出數(shù)組的范圍，而將其它無關(guān)的變量給莫名其妙地改了。導(dǎo)致的后果可能是出錯(cuò)，也有可能是死機(jī)，而且，由于這種問題極其隱蔽，很難找出來。
所以，在大的系統(tǒng)當(dāng)中，幸虧有了OS這種東西的存在，它不但能幫我們擺脫全局變量這個(gè)禍害，而幫助程序員更加方便地組織各個(gè)功能模塊。并且，讓每個(gè)任務(wù)單一化，進(jìn)而降低了程序編寫的難度。而用匯編語言編寫較大的工程，是困難重重的事情。
首先，必須面對上面提到的全局變量的問題，另外還得面對其它的困難，比方說內(nèi)存的使用。在C語言里，程序員只要申請各種類型的變量然后就可以使用了，而具體用的是哪個(gè)單元的空間，交給編譯器去管理就好了。而你用匯編語言寫程序的時(shí)候，必須要指明所用內(nèi)存的地址，問題來了，程序員不得不對所有內(nèi)存的使用了如指掌，因?yàn)樗袃?nèi)存單元的使用都必須體現(xiàn)出來，這也是匯編語言的特點(diǎn)。當(dāng)程序量一旦大到某種呈度的時(shí)候，規(guī)劃這些內(nèi)存的使用本身就是一個(gè)高難度的工作，因?yàn)橥瑫r(shí)你還得保證各個(gè)地方在使用它們的時(shí)候沒有沖突。真的很難，我是有體會(huì)的。這時(shí)候，我們再想象一下，如果程序太大，我們要幾個(gè)人來協(xié)作編寫的話，問題就更加復(fù)雜了，因?yàn)，沒有了編譯器的幫忙，程序員之間要協(xié)商好內(nèi)存使用的規(guī)則，這太難了，因?yàn)槊鎸λ鼈兊闹徊贿^是一些數(shù)量龐大的地址空間，光是劃分區(qū)域倒是簡單，但涉及到程序間的交互很大的麻煩就來了，每個(gè)程序員必須提供各自的變量接口，因?yàn)閰R編的可讀性本來就差，這些接口包括了每一個(gè)可能共用的變量(在匯編中只是內(nèi)存空間資源)，以及說明它們的功能，這個(gè)工作量非常大，而且一旦做得不好，很容易出錯(cuò)，出了錯(cuò)還很難查。
用匯編編寫程序還有很多比C困難的地方，再舉一個(gè)簡單的例子。匯編語言是低級(jí)語言，是機(jī)器語言面向程序員的一個(gè)一對一的翻譯，所以對于程序員來說，它的功能不夠豐富。在C語言里寫一個(gè)(13200.68/98.56)*256.24的程序，可以直接就表示成"double a; a=(13200.68/98.56)*256.24;"，而在匯編里就沒這么輕松了，匯編里面一般都沒有直接支持浮點(diǎn)運(yùn)算的指令，通常情況下都是得專門編寫一個(gè)函數(shù)來做浮點(diǎn)運(yùn)算。結(jié)果就是匯編程序編寫比C麻煩很多，而且還不直觀。另外，用匯編語言編寫程序?qū)Τ绦騿T的要求也更高，因?yàn)，程序員必須能撐握CPU或MCU的內(nèi)存結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、功能模塊、堆棧系統(tǒng)、中斷資源及機(jī)制等等，否則，是寫不下去的。
最后總結(jié)，C語言與匯編根本不是一碼事，怎么可能幾句話就能道出它們的區(qū)別呢?就目前的情形來說，由于IC工藝的成熟，MCU的存貯資源越來越便宜，工作頻率也越來越高，所以在資源利用率以及執(zhí)行效率上沒有像以前要求那么高了。而且，實(shí)現(xiàn)的功能越來越強(qiáng)大，這些因素都助長了C以及C++在嵌入式開發(fā)當(dāng)中地位越來越高。就連MCS-51的程序編寫也以C語言主導(dǎo)了，這還要?dú)w功于KEIL這個(gè)強(qiáng)大且十分容易入手的工具。面向程序員的高級(jí)語言比面向CPU的匯編語言好用得，在硬件條件允許的情況下，程序員當(dāng)然選擇用高級(jí)語言編程，不旦提高了編程效率，也提高了代碼的可維護(hù)性，并且十分有利于編寫大型的工程。看完全文了嗎？喜歡就一起來點(diǎn)個(gè) 贊 吧。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-19
