重學計算機組成原理(4)-還記得紙帶編程嗎？

以前寫程序用“打孔卡（Punched Card），沒法像今天，掏出鍵盤就能打字，而是要先在腦海/紙寫出程序，然后在紙帶/卡片上打洞。這樣，要寫的程序、要處理的數據，就變成一條條紙帶或者一張張卡片，之后再交給當時的計算機去處理。

上世紀60年代晚期或70年代初期，Arnold Reinold拍攝的FORTRAN計算程序的穿孔卡照片

人們在特定的位置上打洞或者不打洞，來代表“0”或者“1”。

計算機或說CPU本身，并沒有能力理解這些高級語言，即使在2019年的今天，我們使用的現代個人計算機，仍然只能處理所謂的“機器碼”，也就是一連串的“0”和“1”這樣的數字。

那高級語言的程序，最終是怎么變成一串串“0”和“1”的？

這一串串“0”和“1”又是怎么在CPU中處理的？

1 軟硬件接口中，CPU做了啥？

CPU(Central Processing Unit，中央處理器)就是計算機的大腦

硬件的角度

一個超大規模集成電路，通過電路實現了加法、乘法乃至各種各樣的處理邏輯。

軟件工程師的角度

一個執行各種計算機指令（Instruction Code）的邏輯機器

這里的計算機指令，就好比一門CPU能夠聽得懂的語言，即機器語言（Machine Language）

不同的CPU能夠聽懂的語言不太一樣

Intel的CPU、ARM的CPU兩者能聽懂的語言就不一樣，這樣兩種CPU各自支持的語言，就是兩組不同的計算機指令集(Instruction Set)。

“Set”就是數學上的集合，代表不同的單詞、語法。如果在自己電腦上寫一個程序，然后把這個程序復制一下，裝到自己的手機上，肯定是沒辦法正常運行的，因為這兩者語言不通。

而一臺電腦上的程序，簡單復制一下到另外一臺電腦上，通常就能正常運行，因為這兩臺CPU有著相同的指令集，它們語言相通。

存儲程序型計算機（Stored-program Computer）

計算機程序，不可能只有一條指令，而是成千上萬條指令組成

但CPU不能一直放著所有指令，所以程序平時是存儲在存儲器

這種程序指令存儲在存儲器里面的計算機，我們就叫作

Plugboard Computer

在沒有現代計算機之前，有著聰明才智的工程師們，早就發明了一種叫Plugboard Computer的計算設備

在一個布滿了各種插口和插座的板子上，工程師們用不同的電線來連接不同的插口和插座，從而來完成各種計算任務

IBM的Plugboard

2 編譯=>匯編 代碼=>機器碼

代碼是怎么變成一條條計算機指令，最后被CPU執行的？

test.c

編譯（Compile）成匯編代碼

要讓這段程序在Linux跑起來，需要把整個程序翻譯成匯編語言（ASM，Assembly Language）的程序

針對匯編代碼，可以再用匯編器（Assembler）翻譯成機器碼（Machine Code）

這些機器碼由“0”和“1”組成的機器語言表示,這一條條機器碼，就是一條條的計算機指令

這樣一串串的16進制數字，就是我們CPU能夠真正認識的計算機指令。

在Linux上，可使用gcc和objdump，把對應的匯編代碼和機器碼都打印出來。

左側一堆數字，就是一條條機器碼

右邊一系列的push、mov、add、pop等，這些就是對應的匯編代碼

一行C語言代碼，有時候只對應一條機器碼和匯編代碼，有時候則是對應兩條機器碼和匯編代碼

匯編代碼和機器碼之間是一一對應的。

實際在用GCC（GUC編譯器套裝，GUI Compiler Collectipon）編譯器的時候，可直接把代碼編譯成機器碼，為什么還需要匯編代碼呢？

那一串數字表示的機器碼，摸不著頭腦

但即使你沒有學過匯編代碼，看的時候多少也能“猜”出一些這些代碼的含義。

匯編代碼就是“給程序員看的機器碼”

也正因為這樣，機器碼和匯編代碼是一一對應的

很容易記住add、mov這些用英文表示的指令

而8b 45 f8這樣的指令，由于很難一下子看明白是在干什么，所以會非常難以記憶

從高級語言到匯編代碼，再到機器碼，就是一個日常開發程序，最終變成了CPU可以執行的計算機指令的過程。

3 解析指令和機器碼

了解了這個過程，下面我們放大局部，來看看這一行行的匯編代碼和機器指令，到底是什么意思。

Intel CPU，有2000條左右的CPU指令，實在是太多了，沒法一一講解。不過一般來說，常見的指令可以分成五大類。

算術類指令

加減乘除，在CPU層面，都會變成一條條算術類指令

數據傳輸類指令

給變量賦值、在內存里讀寫數據，用的都是數據傳輸類指令。

邏輯類指令

邏輯上的與或非

條件分支類指令

日常的“if/else”

無條件跳轉指令

寫一些大一點的程序，我們常常需要寫一些函數或者方法

在調用函數的時候，其實就是發起了一個無條件跳轉指令。

匯編器是怎么把對應的匯編代碼，翻譯成為機器碼的。

不同CPU有不同指令集，對應不同的匯編語言和不同的機器碼。

為方便快速理解機器碼的計算方式，選用最簡單的MIPS指令集，看機器碼是如何生成的。

MIPS是一組由MIPS技術公司在80年代中期設計出來的CPU指令集。最近，MIPS公司把整個指令集和芯片架構都完全開源了。想要深入研究CPU和指令集的同學，推薦一些資料。

MIPS的指令是一個32位的整數，高6位操作碼（Opcode）：

代表這條指令具體是一條什么樣的指令。

剩下的26位有三種格式，分別是：

R指令

一般做算術和邏輯操作，里面有讀取和寫入數據的寄存器的地址。如果是邏輯位移操作，后面還有位移操作的位移量。而最后的功能碼，則是在前面的操作碼不夠的時候，擴展操作碼表示對應的具體指令的。

I指令

通常是用在數據傳輸、條件分支，以及在運算的時候使用的并非變量還是常數的時候。這時，沒有位移量和操作碼，也沒有第三個寄存器，而是把這三部分直接合并成了一個地址值或者一個常數。

J指令

一個跳轉指令，高6位之外的26位都是一個跳轉后的地址

add $t0,$s2,$s1

下面都用十進制來表示對應的代碼，對應的MIPS指令的：

opcode是0

rs代表第一個寄存器s1的地址是17

rt代表第二個寄存器s2的地址是18

rd代表目標的臨時寄存器t0的地址是8

因為不是位移操作，所以位移量是0

把這些數字拼在一起，就變成了一個MIPS的加法指令。

一般把對應的二進制數，用16進制表示。這里0X02324020。這個數字也就是這條指令對應的機器碼。

回到開頭我們說的打孔帶

打孔代表1

沒有打孔代表0

用4行8列代表一條指令來打一個穿孔紙帶，那么這條命令大概就長這樣：

你應該學會了怎么作為人肉編譯和匯編器，給紙帶打孔編程了，不用再對那些用過打孔卡的前輩們頂禮膜拜了。

4 總結

打孔卡，其實就是一種存儲程序型計算機。

只是這整個程序的機器碼，不是通過計算機編譯出來的，而是由程序員的人腦“編譯”成一張張卡片的

對應的程序，也不是存儲在設備里，而是存儲成一張打好孔的卡片

但是整個程序運行的邏輯和其他CPU的機器語言沒有什么分別，也是處理一串“0”和“1”組成的機器碼而已。

我們看到了一個C語言程序，是怎么被編譯成為匯編語言，乃至通過匯編器再翻譯成機器碼的。

除了C這樣的編譯型的語言之外，不管是Python這樣的解釋型語言，還是Java這樣使用虛擬機的語言，其實最終都是由不同形式的程序，把我們寫好的代碼，轉換成CPU能夠理解的機器碼來執行的。

只是解釋型語言，是通過解釋器在程序運行的時候逐句翻譯，而Java這樣使用虛擬機的語言，則是由虛擬機對編譯出來的中間代碼進行解釋，或者即時編譯成為機器碼來最終執行。

參考

《計算機組成與設計：軟/硬件接口》第5版的2.17小節

深入淺出計算機組成原理

機器翻譯 匯編語言

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