用汇编语言指挥计算机

复习

• 输入输出系统：I/O 接口连接外设，支持查询、中断和 DMA
• 中断系统：外设可主动通知 CPU，CPU 保存现场后处理再恢复
• 第一次呼吸：把 CPU、存储器、总线和外设合起来，让完整计算机自动运行

TL;DR

• 二进制机器指令又长又难记，人们给每种操作起了短名字，叫助记符
• 用助记符写指令，就是 汇编语言 ；一条汇编通常对应一条机器指令
• 汇编几乎和硬件一一对应，因此贴近机器，但也因此繁琐、依赖具体 CPU

正文

　　还记得上一章那段程序吗？我们把两段 0 和 1 送进存储器，机器就自己算出了结果。它长这样：

　　能跑，但你能一眼看出第 3 行在做什么吗？0100 到底是读、是写，还是加？人脑不擅长记这种“光秃秃的 0 和 1”。

　　既然机器只认 0 和 1，那就在人和机器之间加一层： 给每个操作码起一个短名字 。

助记符

　　我们给前面用到的操作码起名：

　　这样，0100 00010110 就可以写成：

STORE [22], R

　　“把 R 存到地址 22”——读起来几乎就是一句人话。这些短名字，叫作 助记符 （mnemonic）。

把程序改写成汇编

　　现在把上一章的程序整段改写：

      LOAD  A, [20]
      LOAD  B, [21]
      ADD   R, A, B
      STORE [22], R
      HALT

　　对照一下原来的机器码：

　　每一条汇编，都对应一条机器指令。这种“用助记符写指令”的语言，就叫 汇编语言 （assembly language）；把汇编翻译成机器码的程序，叫 汇编器 （assembler），下一章之后的某章我们再来造它。

　　于是又多了一层： 在计算机科学里，没有什么问题是加一层解决不了的。

汇编的两面

　　汇编语言的好处很明显：

• 可读：ADD 比 0011 好记多了
• 精确：一条汇编对应一条机器指令，程序耗多少步、用了哪些寄存器，一清二楚

　　但它也有两个明显的短板：

• 繁琐：寄存器、地址、操作码都要自己写，代码一长就难维护
• 不可移植：不同 CPU 的指令集不一样，为这台机器写的汇编，换一台机器就得重写

　　可以说，汇编是“离机器最近的语言”。它已经比 0 和 1 友好得多，但骨子里还是在替机器操心。

还差什么

　　回头看上面那段汇编：20、21、22 这些地址，全是我们手数出来的。如果程序要存一百个数，或者要跳到一个还说不清位置的地方，手工算地址会让人崩溃。

　　能不能给数据和位置也起个名字，让机器自己去换算地址？这正是下一章要解决的问题。

思考题

　　既然汇编已经“可读”，为什么我们不干脆一直用汇编写程序？想想：如果要给程序加一个功能，或者要把它搬到另一种 CPU 上，会发生什么？

小结

知识点

• 助记符：用短名字代替二进制操作码
• 汇编语言：用助记符书写机器指令
• 汇编与机器指令基本一一对应
• 汇编可读但繁琐、依赖具体 CPU
• 汇编器：把汇编翻译成机器码

参考资料

1. Wikipedia(zh)：汇编语言：汇编语言的基本概念
2. Wikipedia(zh)：助记符：为什么用短名字代替机器码
3. 《编码：隐匿在计算机软硬件背后的语言》第 24 章：汇编语言

思考题答案（仅供参考）

　　因为汇编仍然贴着机器：写的时候要自己安排寄存器、地址和每一步细节，程序一复杂就容易出错、难以阅读。更麻烦的是它不可移植：不同 CPU 的指令集不同，换一台机器往往要整段重写。要“更轻松地让机器做事”，就需要再往上一层，让语言更接近人描述问题的方式，把机器的细节交给翻译程序去操心——这正是后面的高级语言。

协议

　　本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。

封面图

设计师 | 南国微雪