C语言与汇编语言的区别

面包板社区 2021-07-06 17:01

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从事嵌入式系统开发多年，对于软件方面，从初期的单片机汇编语言编程，到后来的C++界面程序编写，已有相当多的经验累积。正是有了多年的实战经验，对于汇编与高级语言在原理及应用等方面形成了自已的一些理解，也是我经常思考的问题，但一直没有以书面的方式记录下来，今天之所以写下这些文字，正是想做一个归纳，日后也好参考。

其实，C语言与汇编语言的区别一直是程序员们津津乐道的话题。如果你问一个程序员这样的问题，他也许会这么回答你：“C语言可读性好，代码便于维护，便于开发;汇编语言编写的程序不容易看懂，可维护性不好，但是执行效率高。”这样回答是没有错的，但只是一个概括，不够深入。比方说，汇编语言为什么执行效率比C语言高呢?C语言的可读性又好在哪里呢?汇编语言不同样可以用注解来提高可读性吗?等等这些的问题。要真正能回答这些问题，不是一件简单的事情，也不是三言两语能解释得清的，需要比较彻底地分析汇编与C的本质上的区别。

先说汇编，写过汇编的程序员都知道，“汇编语言实质上机器语言的助记符。”这句话需要这样来解析：1.CPU只能运行它所支持的指令集，而这些指令集当中的每天条指令都是一些二进制数的序列，也就是“0”和“1”的有序组合;2.“0”和“1”的组合不便于程序员的记忆因此有了“MOV A 0x40”等这样的助记符，也就是说在程序员编写程序的时候，用“MOV A 0x40”来代替一串“0”和“1”的序列，这样一看就知道是吧“0x40”单元中的数据搬到累加器A当中来。而如果是用0”和“1”的序列，毫无特征，很难被程序员记住。这也是为什么要有汇编语言产生的原因了。

以上对汇编语言的解释基本上就道出了汇编语言的本质，知道了汇编语言的本质，我们不难理解，汇编语言编译成CPU可执行的机器语言其实只要做一个翻译的动作就好了，因为，助记符与对应的二进制指令是一一对应的。进而，我们再来解释为什么汇编语言会比C语言有更高的执行效率。

首先，我们要理解一点，类似于C的高级语言面对的对象是程序员，而不是CPU，为什么这样说呢?原因非常简单，CPU不认识C语言，CPU只认识以“0”“1”形式存在的指令。而C语言的所有语法以及它代码组织形式都是有助于程序员编写代码的。所以，C语言编写完程序后，需要通过编译器将C语言编译成与相应CPU指令集对应的机器语言。

问题来了，前面我们说过，汇编语言与机器语言是一一对应的。但是C语言呢?当然没这么好事了。C语言的语法是固定的，C语言编写的程序要编译成CPU能读懂的机器语言指令没办法一一对应，所以就需要有编译规则了。比方说一个for循环会有若干条实现对应for循环功能的机器指令对应，而一个switch，也相应会有机器指令段代替。所以C语言最终要编译机器代码，必须要遵从许许多多的这样的规则才行。

我试验过，用C编写一个简单的程序，比方说只包含一个for循环，编译出的代码和用汇编写的最优代码几乎是一样。但代码量一大，由于受制于规则(不受制也不行呀，否则编不出来)，编出来的代码与用汇编语言写出来的代码相比就走了不少“弯路”了。虽然说，现在的很多C编译器在编译的时候都会有优化，但是，不可能做得到效率上等同于与机器语言一一对应的汇编语言的效率。毕竟，汇编语言可以理解为直接就是面对CPU的，只不过是机器语言用助记符代替而矣。

以上只是两种语言效率上区别的一个主要原因，其实，对于资源的利用上，汇编语言同样有优势。汇编是直接面对CPU的语言，只要是在指令集支持的范围内，汇编语言可以直接而灵活地管理包括特殊功能寄存器、通用寄存器、存储单元的每一个字节，甚至是每一个bit。C语言对内存的使用及管理功能也是很强大的，但毕竟还是受制于语法。

举个最简单的例子，C语言当中没有对应三字节或是五字节的变量类型，要么int型，要么long型，所以每次申请必须是固定的字节数，势必造成内存使用上的浪费。而大部份汇编语言根本没有这样的语法，在伪指令的帮助下(其实也只是提高可读性)，汇编语言程序可以使用任意字节数的变量，当然处理起来比C语言麻烦得多，最终还是一个字节一个字节地拼接处理，而用C语言写程序就轻松了，不用管这些，最终编译器会搞定嘛。而轻松的代价就是造成了浪费。而内存使用效率不高同时也会影响到整个程序的整体效率。

汇编的最后部份，来说明一下伪批令这个东西吧。一个不善于用伪指令写汇编程序的程序员不是一个好的程序员，这就和写C语言不用宏是一个道理。伪批令存在价值在于他提高了汇编语言的可读性，同时也能简化汇编语言的编程。比方说最通用的创建立即数名称，而不是用二进制或十六进制数;创建数据表;ARM当中的创建全局及局部变量等。这个不多说了，针对于不同的MCU或CPU有不同的伪指令。

再来说说C吧，C语言丰富而实用的语句决定了C语言程序灵活性以及强大的代码组织能力。利用C语言，我们可以很方便地编写出庞大的工程，在版本管理工具的帮助下，可以很轻松地实现多人协作编程。特别是引入RT-OS以后，C语言的程序框架更加灵活了，添加功能(任务)更加轻松。因为，所有的任务的调控可以直接交给操作系统来做，而程序员需要做的是编写任务(含一个或多个功能模块)的内容，以及设置任务的优先级，堆栈数等等。而任务间的通信可以摆脱“全局变量”这个祸害，完全可以通过信号量、邮箱、队列等形式来沟通。为什么说“全局变量”是祸害呢?单程序量不大的时候，“全局变量”可能是好东西，因为方便嘛，哪都能改它，哪都能读它。

可是，一旦程序大了，源码文件一多，如果都习惯用全局变量来传递及存贮共用量的话，灾难就会降临。你会看到数以千计的全局变量在各各函数间纵横交错，如果这些变量不是你创建的，你会很难知道它的作用，因为系统太大了，它出现的地方太多了，而且，像这样的变量实在太多，你会因此而感到恐惧，相信很多有经验的程序员都经历过吧!然而，这将埋下系统崩溃级别的隐患。

因为，这些全局变量太多，而且出现在太多的地方，很难完全统计出哪些地方可能会修改它们，一量有遗漏，变量的值可能就会和我们想要的值有出入，后果非常严重。更有甚者，当全局变量是指向数组的指针或者是数组本身的时候。有的程序员可能对多得数不清的这些变量感到困惑，容易犯的一个错误是写这些全局数组时没有加以保护，经常都会写出数组的范围，而将其它无关的变量给莫名其妙地改了。导致的后果可能是出错，也有可能是死机，而且，由于这种问题极其隐蔽，很难找出来。

所以，在大的系统当中，幸亏有了OS这种东西的存在，它不但能帮我们摆脱全局变量这个祸害，而帮助程序员更加方便地组织各个功能模块。并且，让每个任务单一化，进而降低了程序编写的难度。而用汇编语言编写较大的工程，是困难重重的事情。

首先，必须面对上面提到的全局变量的问题，另外还得面对其它的困难，比方说内存的使用。在C语言里，程序员只要申请各种类型的变量然后就可以使用了，而具体用的是哪个单元的空间，交给编译器去管理就好了。而你用汇编语言写程序的时候，必须要指明所用内存的地址，问题来了，程序员不得不对所有内存的使用了如指掌，因为所有内存单元的使用都必须体现出来，这也是汇编语言的特点。当程序量一旦大到某种呈度的时候，规划这些内存的使用本身就是一个高难度的工作，因为同时你还得保证各个地方在使用它们的时候没有冲突。真的很难，我是有体会的。这时候，我们再想象一下，如果程序太大，我们要几个人来协作编写的话，问题就更加复杂了，因为，没有了编译器的帮忙，程序员之间要协商好内存使用的规则，这太难了，因为面对它们的只不过是一些数量庞大的地址空间，光是划分区域倒是简单，但涉及到程序间的交互很大的麻烦就来了，每个程序员必须提供各自的变量接口，因为汇编的可读性本来就差，这些接口包括了每一个可能共用的变量(在汇编中只是内存空间资源)，以及说明它们的功能，这个工作量非常大，而且一旦做得不好，很容易出错，出了错还很难查。

用汇编编写程序还有很多比C困难的地方，再举一个简单的例子。汇编语言是低级语言，是机器语言面向程序员的一个一对一的翻译，所以对于程序员来说，它的功能不够丰富。在C语言里写一个(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;"，而在汇编里就没这么轻松了，汇编里面一般都没有直接支持浮点运算的指令，通常情况下都是得专门编写一个函数来做浮点运算。结果就是汇编程序编写比C麻烦很多，而且还不直观。另外，用汇编语言编写程序对程序员的要求也更高，因为，程序员必须能撑握CPU或MCU的内存结构、总线结构、功能模块、堆栈系统、中断资源及机制等等，否则，是写不下去的。

最后总结，C语言与汇编根本不是一码事，怎么可能几句话就能道出它们的区别呢?就目前的情形来说，由于IC工艺的成熟，MCU的存贮资源越来越便宜，工作频率也越来越高，所以在资源利用率以及执行效率上没有像以前要求那么高了。而且，实现的功能越来越强大，这些因素都助长了C以及C++在嵌入式开发当中地位越来越高。就连MCS-51的程序编写也以C语言主导了，这还要归功于KEIL这个强大且十分容易入手的工具。面向程序员的高级语言比面向CPU的汇编语言好用得，在硬件条件允许的情况下，程序员当然选择用高级语言编程，不旦提高了编程效率，也提高了代码的可维护性，并且十分有利于编写大型的工程。