全面解析構(gòu)建4位計(jì)算機(jī)：匯編語言和匯編器

作為我們討論的起點(diǎn)，讓我們進(jìn)行一個(gè)簡單的思想實(shí)驗(yàn)。假設(shè)我們剛剛完成了4位HRRG計(jì)算機(jī)的構(gòu)建。我們還假設(shè)它是地球上的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)。也就是說，沒有任何其他計(jì)算機(jī)或編程語言，或者……好吧，什么都沒有。

讓我們寬容自己，并假設(shè)我們還開發(fā)了一些輸入和輸出設(shè)備-看起來像QWERTY鍵盤，VT100終端和紙帶讀/寫器，并且已經(jīng)將它們連接到某些HRRG上。輸入和輸出端口，但我們尚未創(chuàng)建任何代碼來驅(qū)動(dòng)小流氓。

在繼續(xù)本專欄的其余部分之前，為什么不暫停片刻，以考慮下一步將要做什么。

用機(jī)器代碼捕獲和輸入程序

作為一個(gè)快速提醒，HRRG具有16個(gè)寄存器并支持16條指令，如下所示（“指令集”和“指令”中對(duì)各種指令執(zhí)行其魔術(shù)的方式進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。權(quán)衡”列）。

HRRG的CPU寄存器和指令。（來源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

我們的首要任務(wù)是創(chuàng)建一個(gè)非常非常簡單的程序，以確保該野獸完全起作用。如果我們決定使用鉛筆和紙來捕獲該程序的意圖并繪制帶有相關(guān)注釋的流程圖，這不會(huì)讓我感到驚訝，如下所示：

一個(gè)簡單程序的流程圖。（來源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

下一步將是確定要加載到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的哪些操作碼和操作數(shù)，以實(shí)現(xiàn)我們的程序。再一次，這可能涉及鉛筆和紙以及一些皺眉和頭撓，結(jié)果如下所示：

簡單程序的機(jī)器代碼。（資料來源：馬克斯·麥克菲爾德（Max Maxfield）

這種表示形式稱為“機(jī)器代碼”，因?yàn)樗鼈兪俏覀兊挠?jì)算機(jī)（機(jī)器）將執(zhí)行（處理）的二進(jìn)制代碼。

最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，我們希望將機(jī)器代碼加載到計(jì)算機(jī)中并運(yùn)行程序，但是我們將如何做呢？好吧，我們可能會(huì)構(gòu)建一個(gè)開關(guān)面板并將其連接到計(jì)算機(jī)。至少，這將涉及12個(gè)撥動(dòng)開關(guān)代表地址，4個(gè)撥動(dòng)開關(guān)代表數(shù)據(jù)，以及幾個(gè)控制開關(guān)和按鈕，如下所示。

簡單的HRRG開關(guān)面板（來源：Max Maxfield）

為了輸入程序，我們將“ Program / Run”開關(guān)設(shè)置為“ Program”，在地址開關(guān)上設(shè)置一個(gè)地址，并在數(shù)據(jù)開關(guān)上設(shè)置一個(gè)相應(yīng)的操作碼或操作數(shù)，然后按“ Load”按鈕以將該值加載到內(nèi)存中。我們將對(duì)構(gòu)成程序的所有小節(jié)重復(fù)此過程。上圖顯示了我們準(zhǔn)備將$ C（跳轉(zhuǎn)）操作碼輸入到內(nèi)存位置$ 106中。

輸入程序后，我們將地址開關(guān)設(shè)置為指向程序的起始地址（在本示例中為$ 100），然后將“ Program / Run”開關(guān)切換為“ Run”。

用匯編語言捕獲程序

許多設(shè)計(jì)原始計(jì)算機(jī)的團(tuán)隊(duì)都認(rèn)為，為了獲得最佳結(jié)果，必須盡可能地靠近機(jī)器。也就是說，他們的理念是編寫盡可能接近機(jī)器內(nèi)部表示形式的程序；即機(jī)器代碼。

但是，您可能想像到，以機(jī)器代碼捕獲和輸入程序非常耗時(shí)，容易出錯(cuò)，并且最終會(huì)給地域帶來麻煩。下一步是使用一種稱為匯編語言的低級(jí)符號(hào)編程語言來捕獲一個(gè)程序，在該語言中，程序的語句與計(jì)算機(jī)的機(jī)器代碼指令之間存在非常強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（英國數(shù)學(xué)家凱瑟琳·布斯（Kathleen Booth）因她在1947年開始的理論工作而發(fā)明了匯編語言的概念而受到贊譽(yù)。）

當(dāng)然，擁有匯編語言與擁有匯編程序并不相同，匯編程序是指將匯編程序源代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行機(jī)器代碼的實(shí)用程序。在我們的思想實(shí)驗(yàn)中，我們?nèi)蕴幱谑褂勉U筆和紙來捕獲程序的階段。

假設(shè)我們已經(jīng)定義了HRRG匯編語言（我們將在我的下一篇專欄中更詳細(xì)地考慮該語言）。在這種情況下，我們可以使用鉛筆和紙以匯編語言捕獲程序并將其手工匯編為機(jī)器代碼。讓我們考慮一下原始測試程序的情況，如下所示：

手工匯編代碼（來源：Max Maxfield）

非常有用的一件事是將標(biāo)簽與關(guān)鍵指令的地址相關(guān)聯(lián)，例如標(biāo)記我們循環(huán)開始的LOOP標(biāo)簽。在瀏覽程序時(shí)，我們將構(gòu)建標(biāo)簽及其地址的交叉引用表，如上圖的右上角所示。

就我們的簡單程序而言，我們在使用標(biāo)簽之前先聲明了標(biāo)簽，這使我們的生活變得輕松。在更復(fù)雜的程序中，我們可能在聲明標(biāo)簽之前先參考標(biāo)簽（例如，跳轉(zhuǎn)到其標(biāo)簽位于程序下方的子例程）。在這種情況下，我們將對(duì)源代碼執(zhí)行多次遍歷，其中第一遍遍使我們能夠確定所有標(biāo)簽的地址，而第二遍遍使我們能夠解析我們不知道的任何地址，時(shí)間周期。

通過我們的引導(dǎo)程序振作起來

這就是開始變得有趣的地方。首先，我們將創(chuàng)建幾個(gè)簡單的低級(jí)實(shí)用程序例程，以允許我們監(jiān)視鍵盤并使用我們的紙帶讀取器/寫入器。為此，我們可以用鉛筆和紙捕獲源代碼，將其手工組裝成機(jī)器代碼，然后使用開關(guān)面板將該機(jī)器代碼加載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中（請注意，我們可以將多個(gè)程序存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的不同區(qū)域中）。記憶）。

大約在這個(gè)時(shí)候，我們還將創(chuàng)建一個(gè)低級(jí)別的監(jiān)視程序。這種程序提供了一個(gè)簡單的用戶界面（通常基于單個(gè)字符命令），以允許用戶執(zhí)行諸如檢查和更改內(nèi)存，讀取或?qū)懭隝 / O端口以及將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中其他程序的操作。再一次，將使用鉛筆和紙捕獲該程序，然后手工組裝，并使用開關(guān)面板將其加載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。

接下來，我們將創(chuàng)建一個(gè)簡單的匯編程序，僅支持我們最終希望擁有的部分功能。和以前一樣，將使用鉛筆和紙捕獲此簡單的匯編程序，然后手工組裝，然后使用開關(guān)面板將其加載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。

現(xiàn)在我們可以搖滾了，因?yàn)槲覀兛梢允褂秒妭鞔蜃謾C(jī)終端之類的功能來捕獲首遍匯編程序支持的匯編語言子集中的程序，并將這些源代碼程序?qū)懭爰垘?。接下來，我們可以使用監(jiān)視程序和實(shí)用程序從紙帶讀取此源代碼，并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域中。然后，我們可以使用首遍匯編程序?qū)⒋嗽创a匯編為可執(zhí)行的機(jī)器代碼，并將其存儲(chǔ)在內(nèi)存的另一個(gè)區(qū)域中。在這一點(diǎn)上，我們可以對(duì)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的可執(zhí)行機(jī)器代碼做兩件事：

從這時(shí)起，我們的牡蠣（或龍蝦，或我們選擇的任何甲殼類動(dòng)物）便成為現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槲覀兛梢允褂檬走^匯編程序?yàn)樗鞋F(xiàn)有程序（包括監(jiān)視器，低級(jí)程序）創(chuàng)建更復(fù)雜的版本。實(shí)用程序和匯編器本身。然后，我們可以使用更復(fù)雜的匯編器來創(chuàng)建一個(gè)更高級(jí)的匯編器，然后一路走走。

有趣的是，當(dāng)您使用高級(jí)編程語言（例如C或C ++）編寫程序時(shí)，編譯器不會(huì)將其直接編譯為機(jī)器代碼-而是，編譯器會(huì)在匯編源代碼中生成程序的中間版本代碼，然后將這些源代碼組裝成機(jī)器代碼。所有這些對(duì)于普通用戶都是不可見的，但是對(duì)于編譯器開發(fā)人員和專業(yè)程序員而言，訪問中間匯編代碼可能是無價(jià)的。

交叉匯編程序和宏匯編程序

在上面的思想實(shí)驗(yàn)中，我們考慮了最壞的情況，其中HRRG是地球上唯一的計(jì)算機(jī)。對(duì)于后續(xù)機(jī)器的設(shè)計(jì)人員來說，事情變得容易得多，因?yàn)樗麄兛梢允褂矛F(xiàn)有機(jī)器來加快速度。

例如，交叉匯編程序是一種匯編程序，可以將指令轉(zhuǎn)換為用于運(yùn)行該計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)以外的計(jì)算機(jī)的機(jī)器代碼。我在HRRG上的同謀者EEWeb專家Joe Farr創(chuàng)建了一個(gè)在PC上運(yùn)行的HRRG交叉匯編器，它采用HRRG的匯編語言編寫程序，并生成可在HRRG上運(yùn)行的可執(zhí)行機(jī)器/目標(biāo)代碼。下面的兩個(gè)圖像顯示了同一程序段的源代碼版本和目標(biāo)代碼版本。

HRRG交叉匯編器源代碼視圖（來源：Joe Farr）

HRRG交叉匯編器目標(biāo)代碼視圖（來源：Joe Farr）

更好的是，HRRG的匯編程序是宏匯編程序，它是可以執(zhí)行宏替換和擴(kuò)展的匯編程序。這使我們能夠定義由一個(gè)或多個(gè)語句組成的宏，然后在程序中稍后使用這些宏名稱，從而避免了必須重寫語句。

舉一個(gè)簡單的例子，HRRG的指令集不包含HALT指令。但是，我們可以使用HRRG的匯編語言將這樣的指令實(shí)現(xiàn)為宏，如下所示：

.MACRO HALT

OR %0010, S1

.ENDMACRO

現(xiàn)在，我們可以將前面的程序示例中的OR指令替換為HALT，這有助于使程序更易于理解。此外，我們可以將所有宏捆綁到一個(gè)單獨(dú)的文件中，然后可以使用.INCLUDE指令將其導(dǎo)入到程序中。

編輯：hfy