這是計算機組成元素：從零開始構(gòu)建計算機的第三篇總結(jié)铣鹏，對應(yīng)著書本的第四章鲜锚，該章節(jié)主要講述了 Machine Language事哭，即匯編語言狈定。這里我們主要討論匯編是如何通過 processor 和 registers 來處理 memory颂龙。
首先习蓬，我們先分別來看下 memory，processor 和 register 是什么措嵌。
Memory：我們把所有能存儲數(shù)據(jù)與指令的設(shè)備都稱為 memory躲叼。有點類似我們寄存器的結(jié)構(gòu)，就是由一個一個的字組成企巢，每個字有一個地址枫慷。一般該地址所指向的值我們用 Memory[address] 來表示。
Processor：一般我們稱為 CPU浪规。CPU 可以執(zhí)行一些 operations或听，比如說，算術(shù)運算和邏輯運算笋婿，memory access誉裆，分支（類似 if-else 語句）。
Registers：這里的寄存器跟 memory 是類似的缸濒，只是這里特指 CPU 上的 Memory足丢。因為 memory access 是一個相對耗時的操作，所以呢就在 CPU 上設(shè)置一些存儲空間绍填，這樣可以滿足 CPU 即想存儲一些值霎桅，又能快速取得這些值的需求。我想 這里的 register 和 Memory 結(jié)構(gòu)肯定有所不同讨永，只是細(xì)的我還沒有去研究滔驶，所以暫時還不知道區(qū)別在那里。
接下來我們講講匯編卿闹。匯編本質(zhì)上是一串 01 的數(shù)字揭糕，只是規(guī)定了一些要求，讓這串?dāng)?shù)字的可讀性大大提高锻霎。比如說一串16位的指令著角，前幾位代表操作符，中間幾位代表操作數(shù)旋恼，等等這樣類似的規(guī)則吏口。這些根據(jù)不同的硬件和匯編語法規(guī)則，具體的要求都會有所差別冰更。
有了規(guī)定产徊，都是數(shù)字還是非常難以讓人理解啊。所以呢有出現(xiàn)了 符號 助記符蜀细。舉例來說舟铜，我又一個寄存器，它的地址是0奠衔，那我同時又可以設(shè)定 R0 ?也代表這個寄存器谆刨。那這個寄存器就有兩種表示方法了塘娶，一個是地址0，另一個就是R0痊夭，哪一種更容易閱讀是非常顯而易見的刁岸。
計算機中，將這種匯編語言轉(zhuǎn)化為最終計算機執(zhí)行的二進(jìn)制碼的是匯編器她我，我們后面幾章將會討論如何實現(xiàn)一個匯編器难捌。不同的硬件設(shè)備就有可能有不同的匯編語言的語法。這一章我們討論的都是一些通用的匯編指令鸦难。
1. 算術(shù)和邏輯運算
就是加減法根吁，與或非這幾種操作。
ADD R2, R1, R3 // ?R2 <—R1 + R3合蔽，R1,R2,R3 都表示寄存器
AND R1, R2, R3
2. Memory Access
Memory Access 有兩種方式：
（1）第一種我們已經(jīng)看到了击敌，就是上面 ADD R2,R1,R3 。進(jìn)行加法運算的時候拴事，我們獲取了 R2 和 R1 中的值沃斤，并將結(jié)果存進(jìn)了 R3。這是一種 memory access刃宵。這是操作于寄存器上的 memory access衡瓶。?
（2）第二種就是利用 load 和 store command。這種指令用于在寄存器和 memory 之間移動數(shù)據(jù)的牲证。這種類型的指令會使用幾種不同的尋址模式哮针，即如何確定我們想要找的字在 memory 中的地址，我們剛說過一個 字對應(yīng)一個地址坦袍。不同的計算機可能會提供不同的尋址模式十厢，但是有三種是都支持的。
? ? ? ? ?— ?直接尋址：比如說我們已經(jīng)知道了地址是 67捂齐，那直接 LOAD R1,67 // R1<- ? ? Memory[67]
? ? ? ? ?— ?立即尋址：這種尋址模式是用于加載常量蛮放，這里的常量不是數(shù)據(jù)常量，而是某個指令的地 址奠宜。比如說：LOADI R1包颁，67 ? ? ? // R1 <— 67
? ? ? ? ?— ?間接尋址：這種尋址模式常見于指針。即寄存器擁有的是指向某一塊地址的指針压真。比如說：LOAD* R2, R1 ? ? ? // ? R2 <— Memory[R1]
3. Flow of Control
?程序通常是順序執(zhí)行的娩嚼，一條接著一條執(zhí)行的。但是有時候會程序會出現(xiàn)分支榴都，出現(xiàn)分支的原因一般有如下三種：
（1）循環(huán)
（2）conditional execution（if-else）
（3）subroutine calling （調(diào)用函數(shù)）
為了滿足這種分支待锈，所有的匯編語言提供了跳轉(zhuǎn)的命令（包括有條件和無條件的跳轉(zhuǎn)）漠其。這里舉兩個跳轉(zhuǎn)命令的例子嘴高，詳細(xì)的我們后面會介紹竿音。JMP 是無條件跳轉(zhuǎn)的一種，只要你確定了要跳轉(zhuǎn)的地址拴驮，它就直接跳轉(zhuǎn)了春瞬。JNG 是帶條件判斷的一種，只有條件為真才去跳轉(zhuǎn)到指定的地址套啤。
4. Hack Computer
剛我們說過宽气，不同的計算機會有不同的匯編語言，我們這里引進(jìn) Hack Computer潜沦，它跟我們普通的計算機沒什么不同萄涯，只是它簡化了很多東西，同時這個理想化的計算機唆鸡，可以為我們的練習(xí)提供方便涝影，第五章我們要實現(xiàn)的就是這樣一個計算機。
先來簡單介紹下硬件組成：16位的機器争占，一個CPU燃逻，兩塊獨立的存儲空間，一塊存指令臂痕，一塊存數(shù)據(jù)伯襟，一個鍵盤和一個屏幕。
先來介紹下存儲空間的分配握童。剛說了姆怪，一塊指令的 memory 和另一塊 data memory。這兩塊的 memory 都是 16 位寬澡绩，用 15 位地址表示片效。CPU只能執(zhí)行在指令存儲區(qū)的程序，但是指令存儲區(qū)是一塊只能讀取的區(qū)域英古，所以程序只能用外部手段淀衣，而且只能 load 一次。
接下來說下 寄存器召调。Hack Programmer 有兩類寄存器膨桥。一類是 D型寄存器，另一類是 A型寄存器唠叛。兩者的寄存器用作不同的目的只嚣，D型寄存器只是用來存儲數(shù)據(jù)的，而 A型寄存器既可以存數(shù)據(jù)也可以存儲地址艺沼，這里的地址包括數(shù)據(jù)的地址或者是一條指令的地址册舞。
說完這些，就可以講講 Hack Computer 上匯編語言的語法障般。我們剛講過匯編語言都支持三種類型的指令调鲸，Hack Computer 上的當(dāng)然也支持盛杰。
首先是邏輯與算術(shù)運算。沒有用 ADD 這樣的符號去代替藐石，而是依舊 采用 + ,- 等數(shù)學(xué)公式上常用的符號（乘和除還沒有這本書到現(xiàn)在為止都還沒講過即供，不過這章用的解決的一個方法是，累加代替乘）于微。
在接下來是 Memory Access逗嫡。在 Hacker Computer 中，你可以直接獲取到 D型寄存器的值和A型寄存器的值（如果 A 是作為數(shù)據(jù)存儲的功能）株依，比如說 D = xxxx 或者 A = xxxx驱证。其次當(dāng) A 型寄存器是作為地址的是時候，要取得該地址指向的值恋腕，用的是 M雷滚。把兩者結(jié)合起來舉個例子，D = M + 1吗坚， 如果當(dāng)寄存 A 的值是 516 時祈远，這個例子其實就是 D = Memory[516] - 1（真是跟指針一摸一樣）。我們剛說過 A型寄存器還有一個作用是作為指令的地址商源，這里主要是在跳轉(zhuǎn)的時候要用到车份，Hacker Computer 的跳轉(zhuǎn)指令首先要確定跳轉(zhuǎn)到哪里，這個就是由 A型寄存器的值牡彻。所以一般來說扫沼，在我們做跳轉(zhuǎn)之前，都要給 A型寄存器賦值庄吼，來告訴CPU跳轉(zhuǎn)到哪缎除，或者說下條要執(zhí)行的指令的地址在哪里。
指令語法
現(xiàn)在給出指令的具體語法：
A-instruction,又稱 address instruction总寻，是專門用來給 A 型寄存器設(shè)置值的（剛我們講過 Hack Computer 的計算機設(shè)定了器罐，用 15 位的來表示地址），第一位表示該指令是 A-instruction渐行。
A-instruction:的目的有三個：
（1）這是唯一一個可以直接加載常量的指令轰坊。
（2）提供數(shù)據(jù)地址
（3）提供指令地址
接下來介紹最重要的一個指令
介紹下C-instruction 的用法和意思∷钣。可以看出二進(jìn)制碼對應(yīng)著三個部分（不包括最前面的三面）肴沫。第一位 1 表示該指令是 C-instruction，后面兩位是沒有用到的蕴忆，但是書上沒說能否是0颤芬，所以我們還是用1去寫。
接下來是 compution(comp) 部分。這部分的二進(jìn)制碼指定我們要計算誰站蝠，我們是去D型寄存器去那汰具，還是去取 M 的值，要用什么操作沉衣，是加法還是減法等等。
第二部分是 destination(dest) 部分减牺⊥阆埃看這名字應(yīng)該就知道這部分的指令是干什么的了，ALU 算出來的結(jié)果放哪去拔疚。
第三部分就是 jump 部分肥隆。這里的要注意的是，這部分代碼決定的是代碼的跳轉(zhuǎn)是有條件的還是無條件的稚失，其次有條件的跳轉(zhuǎn)是什么樣的條件栋艳。要跳轉(zhuǎn)去哪，是由 A型寄存器決定的句各。
所以在做跳轉(zhuǎn)指令的時候吸占，一般都要利用下A-instruction，先加載下一條要執(zhí)行的指令的位置是哪凿宾。
可以看到的是在寫跳轉(zhuǎn)指令的時候矾屯，最前面的 dest 部分是不寫的，因為我們已經(jīng)通過 A 型寄存器獲取到了 destination初厚。
有一點要注意件蚕，因為A既可以去做數(shù)據(jù)存儲，也可以做地址存儲产禾，所以很容易分不清楚 A型寄存器到底是干什么的排作。為了防止混淆，在跟跳轉(zhuǎn)有關(guān)的指令的時候亚情，禁止寫M妄痪。
符號
一個常量既可以用數(shù)字表示，也可以用符號表示楞件。在 Hacker Computer 中有三種類型的 symbols拌夏。
（1）predefined symbols。先前計算機就定義好的履因，內(nèi)置的符號障簿。屬于這種的有 ：
? ? ?Virtual registers：R0 ~ R15，代表16個寄存器栅迄，和它們的地址
? ? Predefined pointers： SP站故，LCL，ARG，THIS西篓，THAT 代表地址 0 ～4
? ?I/O pointers：SCREEN 和 KBD 表示 鍵盤和屏幕的地址
（2）Label symbols愈腾。當(dāng)然我們也可以自定義。
（XXX） ?// ?這就是語法了岂津，這個你自己定義的 Symbol 就代表了某一個地址
需要注意的是虱黄，你不一定要先定義在使用，你可以先使用吮成，在使用之后在去定義它橱乱，但是你只能定義一次，而不能重復(fù)使用粱甫。
（3）Variable symbols泳叠。任何你沒定義過的 label 就是一個 Variable symbol，會被匯編器任意符一個地址茶宵，從16開始的（前面有 R1 - R15）危纫。
輸入輸出的處理
我們之前提到過 Hacker Computer 有一個鍵盤和屏幕作為輸入輸出設(shè)備。Hacker Computer 與這兩個設(shè)備的交互乌庶，其實是對這兩個設(shè)備對應(yīng)的 memory 作讀寫操作种蝶，這種處理方式叫做 memory map。我們來看下這兩個設(shè)備的 memory瞒大。
（1）Screen：是一塊黑白屏幕蛤吓。分辨率是 256 * 512，每一行由 32 個 16位的字構(gòu)成糠赦，所以是 一位 對應(yīng)著 一個像素點会傲。當(dāng)某一位是 0 時，決定了該像素點顯示白色拙泽，1 則顯示黑色淌山。在 Symbol 那一節(jié)，我們看到過系統(tǒng)有個預(yù)定義的符號顾瞻，SCREEN泼疑。這個符號表示的就是屏幕最左上角的那個像素點對應(yīng)的在內(nèi)存中的地址，這個 symbol 值是 16384（0x4000）荷荤。例子如下：
這里其實會把最左邊的16個像素全部變?yōu)楹谏?/p>
（2）Keyboard：鍵盤也有一個符號表示退渗，KBD。這個值是 24576(0x6000)蕴纳。其實你算下会油，剛好就是就是在屏幕最后一個像素點的內(nèi)存位置后面一位，256 * 32 + 16384 = 24576古毛。然后 RAM[24576] 的值就是你敲的那個鍵的 ASCII 碼翻翩。沒有鍵按下都许，就是0了。
地址分配
每個存儲在指令存儲區(qū)的指令嫂冻，都會分配一個地址胶征。那匯編器是如何分配的呢？我們這里簡單的就把指令所在的行數(shù)定義為該指令的地址桨仿。這里的行數(shù)是忽略空的行數(shù)的結(jié)果睛低。我們寫程序為了可讀性把空行加上，匯編器不會管這個的服傍。
總結(jié)
現(xiàn)在看下來钱雷，Hack Computer 上的匯編語言非常簡單，總共就兩類指令伴嗡。但實際上一般的匯編語言肯定有更多的數(shù)據(jù)類型急波，更多的寄存器與指令格式从铲。而且這兩類指令其實非常接近高級語言了瘪校，也不是那么的難以讀懂。但是很懂東西本質(zhì)都是一樣的名段，這樣做只是利于我們更好的理解與學(xué)習(xí)阱扬。
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