摘要：匯編器是怎么把對(duì)應(yīng)的匯編代碼，翻譯成為機(jī)器碼的?？偨Y(jié)打孔卡，其實(shí)就是一種存儲(chǔ)程序型計(jì)算機(jī)。推薦閱讀了解的指令集參看計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)軟硬件接口第版的小節(jié)參考深入淺出計(jì)算機(jī)組成原理

你在學(xué)寫(xiě)程序的時(shí)候，有沒(méi)有想過(guò)，古老年代的計(jì)算機(jī)程序是怎么寫(xiě)出來(lái)的？

當(dāng)年寫(xiě)程序，不像現(xiàn)在這樣，都是用一種古老的物理設(shè)備，叫作“打孔卡（Punched Card）”

用這種設(shè)備寫(xiě)程序，沒(méi)法像今天，掏出鍵盤(pán)就能打字，而是要先在腦海/紙寫(xiě)出程序，然后在紙帶/卡片上打洞

這樣，要寫(xiě)的程序、要處理的數(shù)據(jù)，就變成一條條紙帶或者一張張卡片，之后再交給當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)去處理

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

人們?cè)谔囟ǖ奈恢蒙洗蚨椿蛘卟淮蚨?，?lái)代表“0”或者“1”。

為什么早期的計(jì)算機(jī)程序要使用打孔卡，而不能像我們現(xiàn)在一樣，用C或者Python這樣的高級(jí)語(yǔ)言來(lái)寫(xiě)呢？

因?yàn)橛?jì)算機(jī)或者說(shuō)CPU本身，并沒(méi)有能力理解這些高級(jí)語(yǔ)言

即使在2019年的今天，我們使用的現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)，仍然只能處理所謂的“機(jī)器碼”，也就是一連串的“0”和“1”這樣的數(shù)字。

我們每天用高級(jí)語(yǔ)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？

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

硬件的角度

一個(gè)超大規(guī)模集成電路，通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)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(gè)執(zhí)行各種計(jì)算機(jī)指令（Instruction Code）的邏輯機(jī)器
這里的計(jì)算機(jī)指令，就好比一門(mén)CPU能夠聽(tīng)得懂的語(yǔ)言，即機(jī)器語(yǔ)言（Machine Language）

不同的CPU能夠聽(tīng)懂的語(yǔ)言不太一樣

個(gè)人PC用的是Intel的CPU，iPhone用的是ARM的CPU,這兩者能聽(tīng)懂的語(yǔ)言就不太一樣

類似這樣兩種CPU各自支持的語(yǔ)言，就是兩組不同的計(jì)算機(jī)指令集(Instruction Set)

這里面的“Set”，其實(shí)就是數(shù)學(xué)上的集合，代表不同的單詞、語(yǔ)法

如果我們?cè)谧约弘娔X上寫(xiě)一個(gè)程序，然后把這個(gè)程序復(fù)制一下，裝到自己的手機(jī)上，肯定是沒(méi)辦法正常運(yùn)行的，因?yàn)檫@兩者語(yǔ)言不通

而一臺(tái)電腦上的程序，簡(jiǎn)單復(fù)制一下到另外一臺(tái)電腦上，通常就能正常運(yùn)行，因?yàn)檫@兩臺(tái)CPU有著相同的指令集，它們語(yǔ)言相通

存儲(chǔ)程序型計(jì)算機(jī)（Stored-program Computer）

計(jì)算機(jī)程序，不可能只有一條指令，而是成千上萬(wàn)條指令組成

但CPU不能一直放著所有指令，所以程序平時(shí)是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器

這種程序指令存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里面的計(jì)算機(jī)，我們就叫作

Plugboard Computer

在沒(méi)有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之前，有著聰明才智的工程師們，早就發(fā)明了一種叫Plugboard Computer的計(jì)算設(shè)備

在一個(gè)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(lái)連接不同的插口和插座，從而來(lái)完成各種計(jì)算任務(wù)

IBM的Plugboard

代碼，到底是怎么變成一條條計(jì)算機(jī)指令，最后被CPU執(zhí)行的呢？

test.c

編譯（Compile）成匯編代碼
要讓這段程序在Linux跑起來(lái)，需要把整個(gè)程序翻譯成匯編語(yǔ)言（ASM，Assembly Language）的程序

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

這些機(jī)器碼由“0”和“1”組成的機(jī)器語(yǔ)言表示,這一條條機(jī)器碼，就是一條條的計(jì)算機(jī)指令

這樣一串串的16進(jìn)制數(shù)字，就是我們CPU能夠真正認(rèn)識(shí)的計(jì)算機(jī)指令。

在Linux上，可使用gcc和objdump，把對(duì)應(yīng)的匯編代碼和機(jī)器碼都打印出來(lái)。

左側(cè)一堆數(shù)字，就是一條條機(jī)器碼

右邊一系列的push、mov、add、pop等，這些就是對(duì)應(yīng)的匯編代碼

一行C語(yǔ)言代碼，有時(shí)候只對(duì)應(yīng)一條機(jī)器碼和匯編代碼，有時(shí)候則是對(duì)應(yīng)兩條機(jī)器碼和匯編代碼

匯編代碼和機(jī)器碼之間是一一對(duì)應(yīng)的。

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

那一串?dāng)?shù)字表示的機(jī)器碼，摸不著頭腦

但即使你沒(méi)有學(xué)過(guò)匯編代碼，看的時(shí)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(jī)器碼”

也正因?yàn)檫@樣，機(jī)器碼和匯編代碼是一一對(duì)應(yīng)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(huì)非常難以記憶

從高級(jí)語(yǔ)言到匯編代碼，再到機(jī)器碼，就是一個(gè)日常開(kāi)發(fā)程序，最終變成了CPU可以執(zhí)行的計(jì)算機(jī)指令的過(guò)程。

了解了這個(gè)過(guò)程，下面我們放大局部，來(lái)看看這一行行的匯編代碼和機(jī)器指令，到底是什么意思。

Intel CPU，有2000條左右的CPU指令，實(shí)在是太多了，沒(méi)法一一講解。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的指令可以分成五大類。

加減乘除，在CPU層面，都會(huì)變成一條條算術(shù)類指令

給變量賦值、在內(nèi)存里讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，用的都是數(shù)據(jù)傳輸類指令。

邏輯上的與或非

日常的“if/else”

寫(xiě)一些大一點(diǎn)的程序，我們常常需要寫(xiě)一些函數(shù)或者方法

在調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，其實(shí)就是發(fā)起了一個(gè)無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令。

匯編器是怎么把對(duì)應(yīng)的匯編代碼，翻譯成為機(jī)器碼的。

不同的CPU有不同的指令集，也就對(duì)應(yīng)著不同的匯編語(yǔ)言和不同的機(jī)器碼

為了方便你快速理解這個(gè)機(jī)器碼的計(jì)算方式，我們選用最簡(jiǎn)單的MIPS指令集，來(lái)看看機(jī)器碼是如何生成的。

MIPS是一組由MIPS技術(shù)公司在80年代中期設(shè)計(jì)出來(lái)的CPU指令集。就在最近，MIPS公司把整個(gè)指令集和芯片架構(gòu)都完全開(kāi)源了。想要深入研究CPU和指令集的同學(xué)，推薦一些資料，可以自己了解下。

MIPS的指令是一個(gè)32位的整數(shù)，高6位叫操作碼（Opcode）

也就是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、I和J。

R指令

一般用來(lái)做算術(shù)和邏輯操作，里面有讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)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(shí)候，擴(kuò)展操作碼表示對(duì)應(yīng)的具體指令的。

I指令

通常是用在數(shù)據(jù)傳輸、條件分支，以及在運(yùn)算的時(shí)候使用的并非變量還是常數(shù)的時(shí)候

這個(gè)時(shí)候，沒(méi)有了位移量和操作碼，也沒(méi)有了第三個(gè)寄存器，而是把這三部分直接合并成了一個(gè)地址值或者一個(gè)常數(shù)。

J指令

一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，高6位之外的26位都是一個(gè)跳轉(zhuǎn)后的地址

add $t0,$s2,$s1

下面都用十進(jìn)制來(lái)表示對(duì)應(yīng)的代碼。

對(duì)應(yīng)的MIPS指令里

opcode是0

rs代表第一個(gè)寄存器s1的地址是17

rt代表第二個(gè)寄存器s2的地址是18

rd代表目標(biāo)的臨時(shí)寄存器t0的地址是8

因?yàn)椴皇俏灰撇僮?，所以位移量?

把這些數(shù)字拼在一起，就變成了一個(gè)MIPS的加法指令。

為了讀起來(lái)方便，我們一般把對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，用16進(jìn)制表示出來(lái)

在這里，也就是0X02324020。這個(gè)數(shù)字也就是這條指令對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼。

回到開(kāi)頭我們說(shuō)的打孔帶

打孔代表1

沒(méi)有打孔代表0

用4行8列代表一條指令來(lái)打一個(gè)穿孔紙帶，那么這條命令大概就長(zhǎng)這樣：

你應(yīng)該學(xué)會(huì)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(duì)那些用過(guò)打孔卡的前輩們頂禮膜拜了。

打孔卡，其實(shí)就是一種存儲(chǔ)程序型計(jì)算機(jī)。

只是這整個(gè)程序的機(jī)器碼，不是通過(guò)計(jì)算機(jī)編譯出來(lái)的，而是由程序員的人腦“編譯”成一張張卡片的

對(duì)應(yīng)的程序，也不是存儲(chǔ)在設(shè)備里，而是存儲(chǔ)成一張打好孔的卡片

但是整個(gè)程序運(yùn)行的邏輯和其他CPU的機(jī)器語(yǔ)言沒(méi)有什么分別，也是處理一串“0”和“1”組成的機(jī)器碼而已。

我們看到了一個(gè)C語(yǔ)言程序，是怎么被編譯成為匯編語(yǔ)言，乃至通過(guò)匯編器再翻譯成機(jī)器碼的。

除了C這樣的編譯型的語(yǔ)言之外，不管是Python這樣的解釋型語(yǔ)言，還是Java這樣使用虛擬機(jī)的語(yǔ)言，其實(shí)最終都是由不同形式的程序，把我們寫(xiě)好的代碼，轉(zhuǎn)換成CPU能夠理解的機(jī)器碼來(lái)執(zhí)行的。

只是解釋型語(yǔ)言，是通過(guò)解釋器在程序運(yùn)行的時(shí)候逐句翻譯，而Java這樣使用虛擬機(jī)的語(yǔ)言，則是由虛擬機(jī)對(duì)編譯出來(lái)的中間代碼進(jìn)行解釋，或者即時(shí)編譯成為機(jī)器碼來(lái)最終執(zhí)行。

了解Intel CPU的指令集參看

《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)：軟/硬件接口》第5版的2.17小節(jié)

深入淺出計(jì)算機(jī)組成原理