ما هي لغة الآلة Machine Language

نعرفك في مقال اليوم ما هي لغة الآلة أو لغة الأصفار والوحدات والتي تقع في أدنى مستويات لغات البرمجة، وتستخدم للتخاطب والتفاعل المباشر مع أجهزة الحواسيب، ونكتشف معًا ما هي مميزات لغة الآلة، وما الفرق بين لغة الآلة ولغة التجميع، ونستعرض أمثلة على لغة الآلة واستخداماتها، وطريقة تنفيذ تعليماتها من قبل الحواسيب المختلفة.

مستويات لغات البرمجة

قبل أن نتعرف ما هي لغة الآلة لنوضح ما هي لغة البرمجة؟ وما هي المستويات التي مرت بها لغات البرمجة خلال تطورها قبل أن تتطور وتنبثق منها العديد من الأنواع والتسميات.

إن لغة البرمجة هي الأسلوب الذي يعتمده البشر للتخاطب مع الحواسيب وغيرها من الأجهزة القابلة للبرمجة وطلب تنفيذ الأوامر منها، وهي تكتب أو تصاغ على شكل سلسلة من الأوامر المتتالية، وتحفظ على هيئة برامج حاسوبية أو تطبيقات ثم تمرر حاسوب لتنفيذها والحصول على النتائج المطلوبة.

وقد مرت لغات البرمجة خلال تطويرها بعدة مراحل أو مستويات ومن أبرزها:

لغات منخفضة المستوى Low-Level Languages
لغة الآلة Machine Language
لغة التجميع Assembly Language
لغات متوسطة المستوى Mid-Level Languages
لغات عالية المستوى High-Level Languages

لنتعرف على مميزات وسمات كل لغة من هذه اللغات.

لغات منخفضة المستوى Low-Level Languages

كانت لغات الجيل الأول للحواسيب لغات منخفضة المستوى مكونة من مجموعة من التعليمات التي تدخل إلى الحاسوب في شكل قابل للتنفيذ مباشرة بواسطة معالج الحاسوب حيث كانت التعليمات البرمجية مكونة من أرقام مكتوبة بالنظام الثنائي binary system وهو نظام أساسه العدد 2، أو النظام الست عشري hexadecimal وهو نظام أساسه العدد 16وكان من الممكن تنفيذ هذه البرامج مباشرة.

على سبيل المثال تسلسل الأرقام التالي ليس سوى مثال على جزء من كود برمجي مكتوب بلغة الآلة لبرنامج حاسوبي يجمع عددين:

11101100, 11011010, 10100001, 11011101, 01011111, 10111110, 
11101110, 00101101, 11010111, 11101100, 11011011, 11101110, 
11101110, 11011101, 00001010, 10101011, 11101110, 11101110, 
11001110, 10111010, 10101010, 10101101, 11101010, 11101111, 
00011010, 11010010, 11101110, 00011010, 10101011, 11101110, 
11101110, 10101110, 11101010, 11101011, 11101010, 00001000, 
00001010, 11101110, 11001010

إن تعليمات البرنامج السابق مكتوبة بالنظام الثنائي Binary System، وفي حال استخدامنا النظام الست عشري hexadecimal لكتابة التعليمات سيكون البرنامج على النحو التالي:

0xEC, 0xDA, 0xA1, 0xDD, 0x5F, 0xBE, 
0xEE, 0x2D, 0xD7, 0xEC, 0xDB, 0xEE, 
0xEE, 0xDD, 0x0A, 0xAB, 0xEE, 0xEE, 
0xCE, 0xBA, 0xAA, 0xAD, 0xEA, 0xEF, 
0x1A, 0xD2, 0xEE, 0x1A, 0xAB, 0xEE, 
0xEE, 0xAE, 0xEA, 0xEB, 0xEA, 0x08, 
0x0A, 0xEE, 0xCA

وكما تلاحظ فقد كانت كتابة وقراءة لغة الآلة صعبة ومعقدة للغاية، لهذا السبب ظهرت لغات الجيل الثاني أو ما يعرف بلغات التجميع assembly languages وهي عبارة عن لغات ذات مستوى منخفض أيضًا لكن كودها البرمجي أسهل في الفهم نوعًا ما، فقد ابتكر علماء الحاسوب لغة التجميع لتكون بمثابة لغة وسيطة أسهل في الفهم والقراءة، وهي تتضمن مجموعة محدودة من التعليمات الخاصة بالتعامل المباشر مع العتاد الصلب والتجهيزات الإلكترونية القابلة للبرمجة، وهي تختلف بحسب ببنية كل معالج فكل جيل من المعالجات له لغة التجميع الخاصة به.

على سبيل المثال، يوضح الكود التالي برنامجًا مكتوبًا بلغة التجميع لجمع عددين وهو مخصص للعمل على معالج Intel x86 ويجمع العددين 5 و 7

assembly
section .data
  num1 dd 5
  num2 dd 7
  result dd 0

section .text
  global _start

_start:
  mov eax, [num1]
  add eax, [num2]
  mov [result], eax

  ; Exit the program
  mov eax, 1     ; System call number for exit
  xor ebx, ebx    ; Exit status 0
  int 0x80      ; Make system call

إذا قرأت الكود السابق فستنتج أن أول قسم منه Section .data يعرَف العددين num1 و num2 وهي المدخلات المطلوب جمعهما، كما يعرف متغير result لحفظ نتيجة الجمع، أما القسم _start فهو يشير لبداية البرنامج.

وبعدها تبدأ التعليمات الفعلية حيث تنقل التعليمة mov eax, [num1] القيمة المخزنة في num1 إلى المُسجَّل eax وتنقل التعليمة add eax, [num2] القيمة المخزنة في عنوان num2 إلى هذا المُسجَّل، وبعدها تُنقَل قيمة المُسجَّل إلى المتغير result الذي يخزن نتيجة الجمع النهائية، وتستخدم التعليمات الثلاثة الأخيرة للخروج من البرنامج وإنهاء تنفيذه.

كما تلاحظ هذه اللغة مفهومة أكثر من لغة الآلة المليئة بالأصفار والوحدات لكنها لا تزال صعبة ومربكة، وتحتاج من المبرمج لأن يهتم بتفصيل دقيقة مثل تحديد المسجلات التي سيتم استخدامها ونقل البيانات إليها أو منها أثناء تنفيذ البرنامج، كما أنها لا تصلح لتطوير البرامج والخوارزميات المتقدمة وستنتج قدرًا كبيرًا من الكود لتنفيذ كل عمليلة.

لغات متوسطة المستوى Mid-Level Languages

بعد لغة التجميع، طورت لغات برمجة أخرى مثل بيزك BASIC وفورتران FORTRAN وباسكال Pascal وسي C و C++‎ سميت بلغات البرمجة متوسطة المستوى، وهي لغات تقع في مكان وسطي بين لغات البرمجة منخفضة المستوى ولغات البرمجة ذات عالية المستوى مثل بايثون Python أو جافا Java، وهي تتيح للمبرمجين التحكم في التفاصيل الدقيقة للعتاد، وتوفر في نفس الوقت مستوى أعلى من المرونة في التعامل.

على سبيل المثال لجمع عددين بلغة البرمجة C سيكون الكود بالشكل التالي:

#include <stdio.h>

int main() {
  // تعريف المتغيرات
  int num1 = 5;
  int num2 = 7;
  int result;

  // جمع الأرقام
  result = num1 + num2;

  // طباعة النتيجة
  printf("النتيجة هي: %d\n", result);

  return 0;
}

لغات عالية المستوى High-Level Languages

أخيرًا ظهرت لغات الجيل الثالث أو لغات البرمجة عالية المستوى مثل بايثون Python وروبي Ruby وجافا سكريبت JavaScript لتبسيط البرمجة على المطورين والمبرمجين، فهذه اللغات تعد من أسهل لغات البرمجة وتكتب تعليماتها بمفردات قريبة من مفردات اللغة الانجليزية المحكية، وهي سهلة القراءة والفهم من قبل البشر، ولا تضطرنا للتعامل مع التفاصيل الدقيقة المتعلقة بالعتاد.

لكن هذه اللغات تحتاج إلى ترجمتها أو تفسيرها ليفهمها معالج الحاسوب ثم يتمكن من تنفيذها بالشكل الصحيح. وهذه اللغات ليست مرتبطة بنوع جهاز معين حيث يمكن تحويل أوامرها إلى تعليمات مختلفة بلغة الآلة حسب كل جهاز كي يتمكن من تفسيرها وتنفيذها.

على سبيل المثال يحقق الكود التالي بلغة بايثون نفس وظيفة الكود السابق لجمع عددين، ويمكنك أن تلاحظ بساطة وسهولة اللغة ومدى قربها من كلامنا المحكي مقارنة بالأكواد السابقة:

# تعريف المتغيرات
num1 = 5
num2 = 7

# جمع الأرقام
result = num1 + num2

# طباعة النتيجة
print("النتيجة هي:", result)

ما هي لغة الآلة وكيف تعمل

لغة الآلة أو لغة الأصفار والواحدات هي لغة برمجة تتكون من أوامر وتعليمات مكتوبة بطريقة يستطيع الحاسوب فهمها ومعالجتها، فالحاسوب يفهم في الواقع فقط الأصفار والواحدات حيث أن الرقم 1 يعني وجود تيار أو جهد كهربائي، والرقم 0 يعني عدم وجود تيار أو جهد كهربائي.

وفي بدايات ظهور الحواسيب كانت هذه الأرقام تحول إلى أوامر، ومن ثم تنفذ مباشرة بواسطة وحدة المعالجة المركزية CPU. ويكون كل أمر عبارة عن رمز رقمي أو سلسلة من الرموز الرقمية الممثلة بالنظام الثنائي أو الست عشري كما شرحنا سابقًا، وتجدر الإشارة الأن هذه الرموز الرقمية خاصة بكل جهاز حيث تطور لكل بنية معالجات لغة آلة خاصة به.

وقد كانت الطريقة الوحيدة لإدخال هذه التعليمات إلى الحواسيب في بدايات ظهورها هي من خلال البطاقات المثقبة فإجهزة الحواسيب الأولى لم تكن أجهزة قادرة بعد على تخزين البيانات في ملفات لذا إذا أردت كتابة برنامج بلغة الآلة وإدخاله للحاسوب فإن الطريقة الوحيدة هي استخدام هذه البطاقات المثقبة.

تحتوي كل بطاقة على ثقوب تُعبر عن تعليمات محددة للكمبيوتر حول المهام التي نريد تنفيذها، فإذا كان الثقب موجودًا سيمثل القيمة 1، وإذا لم يكن هناك ثقب يمثل القيمة 0، وكان لهذه البطاقات أشكال عديدة لكن أشهرها كان البطاقة المكونة من 80 عمودًا التي طورتها شركة IBM في عام 1928 كما هو موضح في الصورة التالية.

مصدر الصورة

تخيل أنك ستحتاج إلى بطاقة واحدة مشابهة من أجل كتابة كل سطر من التعليمات البرمجية! لذا كانت كتابة برنامج كامل باستخدام هذه البطاقات أمرًا في غاية الصعوبة ويتطلب مجموعة هائلة من البطاقات، وكانت هذه البطاقات تمرر إلى الحاسوب بشكل تسلسلي إلى جهاز مخصص يسمى قارئ البطاقات ليقوم بقراءة تعليماتها عمودًا عمودًا ويحول تسلسل الثقوب إلى معلومات رقمية، ثم يحملها في ذاكرة الحاسوب، وبعد اكتمال قراءة وتحميل كل البطاقات في الذاكرة ينفذ تعليماتها البرمجية ثم يخرج النتائج على شكل بطاقات مثقبة أيضًا.

ولك أن تتخيل كم كان المبرمجون الأوائل يبذلون جهدًا في عملية البرمجة والتواصل مع الحاسوب، وقد استمر العمل بهذه الآلية ظهرت الأقراص المغناطيسية والأجهزة الطرفية peripherals لتخزين وإدخال البيانات وظهرت أجهزة الحواسيب الشخصية التي ألغت استخدام البطاقات المثقوبة ووجعلتها جزءًا من تاريخ لغات البرمجة.

مميزات لغة الآلة

بالرغم من أن لغة الآلة صعبة ومعقدة على البشر، إلا أنها تتمتع بمجموعة من المميزات والخصائص من أهما:

تستخدام لغة الآلة الأرقام الثنائية 0 1 التي يفهمهما الحاسوب وينفذها مباشرة دون الحاجة إلى مترجم لتفسيرها.
تسمح لغة الآلة للمبرمجين بالتحكم في عتاد الحاسوب مثل المعالج والذاكرة بشكل مباشر.
تتميز لغة الآلة بالسرعة والكفاءة مقارنة مع اللغات عالية المستوى.
تصلح لغات المستوى المنخفض لتطوير برامج النظام الأساسية للحواسيب.

عيوب لغة الآلة

من أبرز العيوب التي تعاني منها لغة الآلة ما يلي:

من الصعب كتابة البرامج والخوارزميات المعقدة وتنفيذها باستخدام لغة الآلة.
تتطلب كتابة الكثير من أسطر التعليمات البرمجية لبرنامج بسيط
يتطلب تعديل البرامج الكثير من الوقت والجهد
من الصعب تحديد وتصحيح الأخطاء البرمجية للبرامج المكتوبة بلغة الآلة
تكون لغة الآلة خاصة بالأجهزة أي أنها تعتمد على نوع أو عائلة معالج الجهاز الذي ستعمل عليه لذا تختلف من جهاز لآخر

الخلاصة

تعرفنا في مقال اليوم على لغة الآلة التي تقع في أدنى مستويات لغات البرمجة والتي يفهمها الحاسوب بشكل مباشر وينفذها بواسطة وحدة المعالجة المركزية CPU، وتعرفنا على طريقة التعامل معها وأبرز مميزاتها وعيوبها. واليوم لم تعد لغة الآلة أو لغات المستوى المنخفض تستخدم من قبل المبرمجين إلا في مجالات وتطبيقات محدودة للغاية تحتاج للتعامل مع عتاد الحاسوب مباشرة، فقد أصبحت لغات البرمجة عالية المستوى أسهل بكثير ولكن تذكر أن جميع لغات البرمجة تحول في نهاية المطاف إلى برامج بلغة الآلة كي تنفذ من قبل الحاسوب.