構(gòu)建 4 位計(jì)算機(jī)：匯編語(yǔ)言和匯編器（第 2 部分）

一旦我們構(gòu)建了一臺(tái)計(jì)算機(jī)，下一步就是開(kāi)發(fā)一種匯編語(yǔ)言，然后是一個(gè)可以匯編我們程序的匯編器。

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在我之前的專欄中，我們介紹了在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中存儲(chǔ)多字節(jié)（或在我們的例子中是多 nybble）數(shù)據(jù)塊的大端與小端方式的概念。我們還概述了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者可能決定支持的一些尋址模式。現(xiàn)在是時(shí)候開(kāi)始為我們的 4 位 HRRG 計(jì)算機(jī)考慮匯編語(yǔ)言和匯編程序了。

另請(qǐng)參閱此索引，該索引列出了構(gòu)成我們的 4 位 HRRG 計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的所有文章，以及一些有趣的相關(guān)專欄。

作為我們討論的起點(diǎn)，讓我們進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)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(shuō)，沒(méi)有任何其他計(jì)算機(jī)，或編程語(yǔ)言，或者……嗯，任何東西，真的。

讓我們對(duì)自己大方一點(diǎn)，假設(shè)我們還開(kāi)發(fā)了一些輸入和輸出設(shè)備——看起來(lái)有點(diǎn)像 QWERTY 鍵盤、VT100 終端和紙帶閱讀器/寫入器——并且我們已經(jīng)將它們連接到了一些 HRRG輸入和輸出端口，但我們還沒(méi)有創(chuàng)建任何代碼來(lái)驅(qū)動(dòng)小流氓。

在繼續(xù)本專欄的其余部分之前，為什么不暫停片刻來(lái)思考您的下一步是什么。

以機(jī)器代碼捕獲和輸入程序
作為快速提醒，HRRG 有 16 個(gè)寄存器并支持 16 條指令，如下所示（關(guān)于各種指令執(zhí)行其魔法的方式的更詳細(xì)討論在我們的“指令集”和“指令權(quán)衡”列）。

我們的首要任務(wù)是創(chuàng)建一個(gè)非常非常簡(jiǎn)單的程序，只是為了確保這個(gè)野獸能夠正常工作。如果我們決定使用鉛筆和紙來(lái)繪制帶有相關(guān)注釋的流程圖來(lái)捕捉該程序的意圖，我不會(huì)感到驚訝，如下圖所示：

下一步將是計(jì)算出我們想要將哪些操作碼和操作數(shù)加載到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中以實(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撓頭，導(dǎo)致如下所示：

這種類型的表示被稱為“機(jī)器代碼”，因?yàn)檫@些是我們的計(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)器代碼加載到我們的計(jì)算機(jī)中并運(yùn)行程序，但我們將如何做到這一點(diǎn)？好吧，我們可能會(huì)構(gòu)建一個(gè)開(kāi)關(guān)面板并將其連接到計(jì)算機(jī)。至少，這將涉及 12 個(gè)用于表示地址的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，4 個(gè)用于表示數(shù)據(jù)的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，以及幾個(gè)控制開(kāi)關(guān)和按鈕，如下圖所示。

為了進(jìn)入程序，我們將“Program/Run”開(kāi)關(guān)設(shè)置為“Program”，在地址開(kāi)關(guān)上設(shè)置一個(gè)地址，在數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)上設(shè)置一個(gè)相應(yīng)的操作碼或操作數(shù)，然后按下“Load”按鈕將此值加載到內(nèi)存中。我們將對(duì)構(gòu)成我們程序的所有 nybbles 重復(fù)此過(guò)程。上圖顯示我們準(zhǔn)備將 $C（跳轉(zhuǎn)）操作碼輸入到內(nèi)存位置 $106。

輸入程序后，我們將地址開(kāi)關(guān)設(shè)置為指向程序的起始地址（本例中為 100 美元），然后將“程序/運(yùn)行”開(kāi)關(guān)切換到“運(yùn)行”。

用匯編語(yǔ)言捕獲程序
許多設(shè)計(jì)原始計(jì)算機(jī)的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，為了獲得最佳結(jié)果，有必要盡可能靠近機(jī)器。也就是說(shuō)，他們的理念是以盡可能接近機(jī)器內(nèi)部表示的形式編寫程序；即機(jī)器碼。

然而，正如您可能想象的那樣，以機(jī)器代碼捕獲和輸入程序是耗時(shí)的、容易出錯(cuò)的，并且——最終——在下面的區(qū)域中是一種痛苦。抽象階梯的下一步是用稱為匯編語(yǔ)言的低級(jí)符號(hào)編程語(yǔ)言捕獲程序，其中程序語(yǔ)句和計(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(guó)數(shù)學(xué)家 Kathleen Booth 根據(jù)她 1947 年開(kāi)始的理論工作發(fā)明了匯編語(yǔ)言的概念。）

當(dāng)然，擁有匯編語(yǔ)言與擁有匯編程序不同，匯編程序一詞是指將匯編源代碼轉(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筆和紙捕捉程序的階段。

假設(shè)我們已經(jīng)定義了 HRRG 匯編語(yǔ)言（我們將在下一篇專欄中更詳細(xì)地討論這種語(yǔ)言）。在這種情況下，我們可以使用鉛筆和紙以匯編語(yǔ)言捕獲我們的程序，并將其手動(dòng)組裝成機(jī)器代碼。讓我們考慮一下在我們的原始測(cè)試程序的情況下這可能是什么樣子，如下圖所示：

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)記循環(huán)開(kāi)始的 LOOP 標(biāo)簽。在執(zhí)行程序時(shí)，我們將構(gòu)建一個(gè)標(biāo)簽及其地址的交叉引用表，如上圖右上角所示。

對(duì)于我們的簡(jiǎn)單程序，我們?cè)谑褂脴?biāo)簽之前聲明了它們，這讓我們的生活變得輕松。在一個(gè)更復(fù)雜的程序中，我們可能會(huì)在聲明它之前引用一個(gè)標(biāo)簽（例如，跳轉(zhuǎn)到一個(gè)標(biāo)簽位于程序下方的子程序）。在這種情況下，我們將對(duì)源代碼執(zhí)行多次遍歷，其中第一次遍歷允許我們確定所有標(biāo)簽的地址，第二次遍歷允許我們解析第一次不知道的任何地址-時(shí)間循環(huán)。

通過(guò)我們的引導(dǎo)來(lái)提升自己
這就是事情開(kāi)始變得有趣的地方。首先，我們將創(chuàng)建幾個(gè)簡(jiǎn)單的低級(jí)實(shí)用程序，以允許我們監(jiān)控鍵盤并使用我們的紙帶閱讀器/寫入器。我們將通過(guò)用鉛筆和紙捕獲源代碼，將其手工組裝成機(jī)器代碼，然后使用我們的開(kāi)關(guān)面板將機(jī)器代碼加載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中來(lái)做到這一點(diǎn)（請(qǐng)注意，我們可以將多個(gè)程序存儲(chǔ)在記憶）。

大約在這個(gè)時(shí)候，我們還將創(chuàng)建一個(gè)低級(jí)監(jiān)控程序。這樣的程序提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶界面——通?；趩巫址睢栽试S用戶執(zhí)行檢查和更改內(nèi)存、讀取或?qū)懭?I/O 端口以及將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中的其他程序等操作。再一次，該程序?qū)⑹褂勉U筆和紙捕獲，手工組裝，并使用開(kāi)關(guān)面板加載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。

接下來(lái)，我們將創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的匯編程序，僅支持我們最終希望擁有的功能的一個(gè)子集。和以前一樣，這個(gè)簡(jiǎn)單的匯編程序?qū)⑹褂勉U筆和紙來(lái)捕獲，手工組裝，然后使用開(kāi)關(guān)面板加載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。

現(xiàn)在我們準(zhǔn)備好搖滾了，因?yàn)槲覀兛梢允褂妙愃齐妭鹘K端的東西來(lái)捕獲我們的第一遍匯編器支持的匯編語(yǔ)言子集中的程序，并將這些源代碼程序?qū)懭爰垘А?/font>接下來(lái)，我們可以使用監(jiān)控程序和我們的實(shí)用程序從紙帶中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。然后我們可以使用我們的第一遍匯編器將這個(gè)源代碼匯編成可執(zhí)行的機(jī)器代碼并將其存儲(chǔ)在另一個(gè)內(nèi)存區(qū)域中。此時(shí)，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：

從這一點(diǎn)上講，我們的牡蠣（或龍蝦，或我們選擇的任何甲殼類動(dòng)物）就是我們的了，因?yàn)槲覀兛梢允褂玫谝淮瓮ㄟ^(guò)的匯編程序來(lái)創(chuàng)建所有現(xiàn)有程序的更復(fù)雜版本，包括監(jiān)視器、低級(jí)實(shí)用程序例程和匯編程序本身。然后我們可以使用更復(fù)雜的匯編程序來(lái)創(chuàng)建更高級(jí)的匯編程序，我們可以一次又一次地進(jìn)行。

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有趣的是，當(dāng)你用高級(jí)編程語(yǔ)言（如C或C++）編寫程序時(shí)，編譯器不會(huì)直接將其編譯成機(jī)器代碼——相反，編譯器會(huì)在匯編源代碼中生成程序的中間版本，然后將該源代碼組裝成機(jī)器代碼。所有這些對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)都是看不見(jiàn)的，但是對(duì)于編譯器的開(kāi)發(fā)人員和專家程序員來(lái)說(shuō)，訪問(wèn)中間匯編代碼是非常寶貴的。

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交叉匯編程序和宏匯編程序

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在我們上面的思考實(shí)驗(yàn)中，我們考慮了最壞的情況，在這種情況下，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)者來(lái)說(shuō)，事情變得容易多了，因?yàn)樗麄兛梢允褂矛F(xiàn)有的機(jī)器來(lái)加快速度。

例如，交叉匯編器是一種匯編器，它可以將指令轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的機(jī)器代碼，而不是運(yùn)行它的計(jì)算機(jī)。我在 HRRG 上的同謀，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(yǔ)言編寫的程序，并生成可執(zhí)行的機(jī)器/目標(biāo)代碼以在 HRRG 上運(yùn)行。下面的兩張圖片顯示了同一程序片段的源代碼和目標(biāo)代碼版本。

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HRRG 交叉匯編源代碼查看（來(lái)源：Joe Farr）

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HRRG 交叉匯編器目標(biāo)代碼視圖（來(lái)源：Joe Farr）

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更棒的是，HRRG的匯編器是一個(gè)宏匯編器，它是一個(gè)可以進(jìn)行宏替換和擴(kuò)展的匯編器。這允許我們定義由一個(gè)或多個(gè)語(yǔ)句組成的宏，然后在程序中稍后使用這些宏名稱，從而避免重寫語(yǔ)句。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，HRRG 的指令集不包含 HALT 指令。但是，我們可以在 HRRG 的匯編語(yǔ)言中將這樣的指令實(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，我們可以使用 .INCLUDE 指令將其導(dǎo)入到我們的程序中。

在我的下一篇專欄中，我們將研究 HRRG 的匯編語(yǔ)言，我們還將考慮如何使用宏來(lái)實(shí)現(xiàn) HRRG 本身不支持的一堆指令，例如 ADD、SUB、ROL、ROR、ASHL 、ASHR、LSHL 和 LSHR。與此同時(shí)，我一如既往地歡迎您提出意見(jiàn)和問(wèn)題。

審核編輯 黃昊宇