Tổng quan về ngôn ngữ Assembly trong bối cảnh hiện đại

Ngôn ngữ Assembly hay còn gọi là hợp ngữ là một dạng ngôn ngữ lập trình cấp thấp và gần như giao tiếp trực tiếp với phần cứng thông qua các lệnh máy. Trong quá khứ, ngôn ngữ Assembly từng là công cụ chủ lực cho các lập trình viên nhúng và kỹ sư hệ thống khi viết mã cho bộ vi xử lý, vi điều khiển, BIOS hay hệ thống điều khiển công nghiệp. Tuy nhiên, trong thời đại với sự xuất hiện nhiều của các ngôn ngữ cấp cao như C, Python, Rust và sự phổ biến của các framework nhúng hiện đại thì câu hỏi phổ biến nhất được đưa ra là liệu Assembly có còn phù hợp nữa không?. Bài viết này sẽ đưa ra cái nhìn hai chiều về sự tồn tại và vai trò của Assembly trong lĩnh vực lập trình nhúng ngày nay.

Ngôn ngữ Assembly với ưu điểm về tốc độ và kiểm soát tuyệt đối

Trong các hệ thống nhúng thì việc tối ưu hóa tốc độ xử lý và tài nguyên là điều vô cùng quan trọng đặc biệt là trong các thiết bị có bộ nhớ giới hạn, pin yếu và yêu cầu thời gian thực nghiêm ngặt. Do vậy, Assembly sẽ cho phép lập trình viên kiểm soát từng chu kỳ xử lý, từng thanh ghi, từng hoạt động của CPU. Điều này có các ứng dụng vô cùng quan trọng như:

• Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) trong thiết bị âm thanh
• Truyền thông thời gian thực qua UART, SPI, I2C
• Giao tiếp với phần cứng không có hỗ trợ driver cấp cao
• Nạp bootloader, quản lý trạng thái năng lượng siêu thấp

Ngoài ra, hiện nay Assembly cũng cho phép can thiệp vào các vùng bộ nhớ cụ thể nhằm xử lý ngoại lệ ở cấp độ thấp mà hầu hết các ngôn ngữ cấp cao không thể hoặc không hỗ trợ trực tiếp.

Chi phí phát triển và bảo trì của Assembly

Hiện nay, Assembly mang lại hiệu suất cao, nhưng chi phí phát triển phần mềm lại rất lớn do mã Assembly cực kỳ dài dòng, khó đọc và khó bảo trì. Vì vậy, mỗi bộ vi xử lý lại có một tập lệnh riêng khiến cho việc tái sử dụng mã trở nên phức tạp dẫn đến việc tuyển dụng các lập trình viên giỏi Assembly cũng rất khó khăn bởi phần lớn sinh viên hiện nay chỉ được đào tạo C hoặc các ngôn ngữ cấp cao khác. Hiện nay, tốc độ phát triển, khả năng kiểm thử tự động, tích hợp liên tục (CI/CD) và tính di động giữa nền tàng là yếu tố then chốt trong môi trường phát triển phần mềm hiện đại. Chính vì những lý do đó mà Assembly không đáp ứng tốt các yêu cầu này và khiến nó trở thành lựa chọn rủi ro trong các dự án quy mô lớn hoặc sản phẩm thương mại yêu cầu vòng đời dài.

Giải pháp của ngôn ngữ C

Trong thực tế, hiện nay ngôn ngữ C đang chiếm lĩnh thị trường nhúng do nó vẫn đủ với phần cứng để điều khiển chi tiết nhưng lại dễ viết và dễ bảo trì hơn Assembly rất nhiều. Ngoài ra, với các trình biên dịch hiện đại như GCC hoặc Clang thì có thể tối ưu mã máy tốt hơn cả lập trình viên viết tay và C vẫn cho phép chèn mã Assembly khi thực sự cần thiết thông qua các hàm nội tuyến. Vì vậy, phần lớn các dự án nhúng sử dụng C làm ngôn ngữ chính chỉ sử dụng Assembly cho các phần tối ưu hóa đặc biệt hoặc khởi động hệ thống.

Assembly trong các hệ thống cực kỳ tối giản

Hiện nay trong thực tế vẫn có những trường hợp Assembly vẫn là lựa chọn duy nhất. Ví dụ như với các bộ vi điều khiển 8-bit đơn giản như AVR hoặc PIC, bộ nhớ chỉ vài KB thì dùng ngôn ngữ C có thể làm chương trình lớn hơn một cách không cần thiết. Trong khi đó, Assembly cho phép nạp chính xác từng byte cần thiết. Bên cạnh đó, một số các nhà nghiên cứu, nhà sưu tập phần cứng cổ hay cả những người thiết kế hệ thống học tập thường chọn Assembly để đảm bảo kích thước nhỏ gọn, không phụ thuộc và hoạt động chính xác từng chu kỳ.

Một lĩnh vực khác mà Assembly đang dần đóng góp vai trò chính là bảo mật hệ thống và nghiên cứu reverse engineering. Ngày nay, khi các chuyên gia bảo mật cần kiểm tra mức độ an toàn của firmware, tìm lỗ hổng buffer overflow hay phân tích mã độc thì họ phải làm việc trực tiếp với mã máy hoặc disassembly. Ngoài ra, Assembly vẫn được sử dụng để viết đoạn mã khởi động hoặc thao tác cấp thấp trong các nhân hệ điều hành, hypervisor, trình điều khiển thiết bị hoặc trình biên dịch.

Xu hướng phát triển của Assembly trong tương lai

Hiện nay, dù vai trò của Assembly đang dần thu hẹp nhưng ngôn ngữ này sẽ không thể biến mất mà nó sẽ trở thành một công cụ chuyên biệt, chỉ được dùng đúng lúc, đúng chỗ. Trong bối cảnh edge computing và chip AI đang rất phát triển phát triển thì vẫn sẽ có chỗ cho các tối ưu hóa cực đoan mà chỉ Assembly mới có thể đáp ứng. Tuy nhiên, các công ty và kỹ sư vẫn sẽ chọn C hoặc Rust vừa đủ gần phần cứng vừa dễ mở rộng hệ thống để phát triển phần mềm nhúng bền vững. Do đó, Assembly sẽ tiếp tục tồn tại như một ngôn ngữ ngầm với vai trò nền tảng được tự động tạo ra bởi trình biên dịch hoặc dùng để xử lý các tác vụ đặc biệt.

Kết luận

Nhìn chung, Assembly vẫn có vai trò nhất định trong thế giới ngôn ngữ lập trình ngày nay nhưng nó sẽ không phù hợp trong tất cả các trường hợp. Ví dụ, Assembly có thể là một giải pháp phù hợp nếu nó được ứng dụng trong việc viết firmware cho một thiết bị IoT có giới hạn nghiêm ngặt hoặc tối ưu hóa thời gian thực cho hệ thống điều khiển công nghiệp. Tuy nhiên, nếu ứng dụng nó lại yêu cầu xây dựng một sản phẩm cần mở rộng, bảo trì dài hạn và làm việc theo nhóm thì các ngôn ngữ cấp cao như C, Rust hay MicroPython lại là phương án thực tế hơn. Do vậy, việc hiểu và sử dụng được Assembly vẫn được xem là một kỹ năng quý giá đối với các kỹ sư làm việc trong lĩnh vực nhúng, nó không có nghĩa là phải để viết toàn bộ chương trình mà là để hiểu xuyên suốt quá trình biên dịch, hiểu rõ cách phần cứng thực sự hoạt động. Trong thời đại phát triển phần mềm dựa trên trừu tượng hóa thì kỹ năng này chính là chìa khóa để trở thành kỹ sư hệ thống toàn diện.