《计算机是怎样跑起来的》之体验一次手工汇编

几个小问题

什么是机器语言？
机器语言：由二进制数字构成的程序， CPU 可以直接对其解释、执行。不仅是汇编语言，用C语言、Java等编程语言编写的程序，也都需要先转换成机器语言才能被执行。机器语言有时叫做“ 原生代码” （Native Code）
通常把标识内存或 I/O 中存储单元的数字称为什么？
表示内存或 I/O 中存储单元的数字叫作 “ 地址” 。内存中有多个数据存储单元。计算机用从 0 开始的编号标识每个存储单元，这些编号就是地址（Address）。 I/O 寄存器也可以用地址来标识。哪个寄存器对应哪个地址，取决于 CPU 和 I/O 之间的布线方式。
CPU 中的标志寄存器（Flags Register）有什么作用？
一旦执行了算数运算、逻辑运算、比较运算等指令后， 标志寄存器并不会存放运算结果的值，而是会把运算后的某些状态存储起来，例如运算结果是否为 0、是否产生了负数、是否有溢出（Overflow）等。

本章的目标是通过编写程序使诸位亲身体验计算机的运行机制。为了达到这个目的，就需要使用一种叫作“汇编语言”的编程语言来编写程序，然后再把编好的程序通过手工作业转换成 CPU 可以直接执行的机器语言。

这样的转换工作叫做“ 手工汇编”（Hand Assemble）。

3.1 从程序员的角度看硬件

为了体验手工汇编，下面我们就为之前制作的微型计算机编写一个程序，因为程序的作用是驱动硬件工作， 所以在编写程序之前必须先了解微型计算机的硬件信息，真正㤇了解的硬件信息只有以下 7 种。
【CPU（处理器）信息】

CPU 的种类
时钟信号的频率

【内存信息】

地址空间
每个地址中可以存储多少比特的信息

【I/O 信息】

I/O 的种类
地址空间
连接着何种周边设备

可以使用哪种机器语言取决于 CPU 的种类。所谓机器语言就是只是用 0 和 1 两个进制书写的编程语言。即便是相同的机器语言，例如 01010011，只要 CPU的种类不同，对它的解释也就不同，有的 CPU会把它解释成是执行加法运算，有的 CPU 把它解释成向 I/O 输出。不同的 CPU 对机器语言的解读是不同的。

我们之前所使用的 CPU是 Z80 CPU, 所有要使用适用于 Z80 CPU 的机器语言。顾名思义， 机器语言就是处理器可以直接理解的编程语言。机器语言有时也叫作原生代码（Native Code）。

所谓时钟信号的频率，就是由时钟发生器发送给 CPU 的电信号的频率，表示时钟信号频率的单位是 MHZ。微型计算机使用的是 2.5MHz 的时钟信号。时钟信号是在 0 和 1两个数之间反复变换的电信号，就像滴答滴答右摆动的钟摆一样，通常把发出一次滴答的时间称作一个时钟周期。

在机器语言当中，指令执行时所需要的时钟周期数取决于指令的类型。

程序员不但可以通过累加时钟周期数估算程序执行的时间
还可以仅在特定的时间执行点亮 LED（发光二极管）等操作。

时钟发生器赋予了计算机时间的概念，就像钟表赋予了我们时间的概念，有了时间的概念，进程等概念才能建立。

每个地址都标示着一个内存中的数据存储单元，而这些地址所构成的范围就是内存的地址空间，在我们的微型计算机中，地址空间为 0~ 255（2⁸），每一个地址中可以存储 8比特的指令和数据。

连接着 I/O 的种类，就是指连接着微型计算机和周边设备的 I/O 的种类。在微型计算机中，只安装了一个 I/O ,即上面有 4 个 8 比特寄存器的 Z80 PIO。 只要用 CPU 控制 I/O 的寄存器，就可以设定 I/O 的功能，与周边设备进行数据的输入输出。

所谓 I/O 的地址空间，是指用于指定 I/O 寄存器的地址范围。在 Z80 PIO 上，地址空间为 0 ~ 3, 每一个地址对应于一个寄存器。

在内存中，每个地址的功能都一样，既可用于存储指令又可用于存储数据。

而 I/O 则不同，地址编号不同（即寄存器的类型不同），功能也就不同。在微型计算机中，是这样分配 Z80 PIO 上的寄存器的：

端口 A 数据寄存器对应 0 号地址，
端口 B 数据寄存器对应 1 号地址，
端口 A 控制寄存器对应 2 号地址，
端口 B 控制寄存器对应 3 号地址。

端口 A 数据寄存器和端口 B 数据寄存器存储的是与周边设备进行输入输
出时所需的数据。其中，端口 A 连接用于输入数据的指拨开关，端口B 连接用于输出数据的 LED。
而端口 A 控制寄存器和端口 B 控制寄存器则存储的是用于设定 Z80 PIO 功能的参数。

3.2 机器语言和汇编语言

这段程序之前已经介绍过了，功能是把由指拨开关输入的数据输入CPU，然后CPU 再把输入数据原封不动地输出到 LED。也就是说，通过拨动指拨开关控制 LED 的亮或灭。

这段由 8个比特二进制构成的机器语言程序总共 23 个字节，若把这些字节一一依次写入内存中，所占据的内存空间就是 00000000~ 00010110 。一旦重置了 CPU， CPU就会从 0 号地址开始顺序执行这段程序。

在机器语言程序中，虽然到处都是 0 和 1的组合，但是每个组合都是有特定含义的指令或数据，可是对人来说，如果只看 0 和 1的话，很难判断出各个组合都表示什么。

我们需要面向人类的语言

于是有人发明出了一种编程方法，根据表示指令功能的英语单词起一个相似的昵称，并将这个昵称赋予给 0 和 1 的组合。助记符的诞生，使用助记符的编程语言叫做 “ 汇编语言” 。

无论使用机器序言和还是汇编语言，所实现的功能都是一样的。

区别只在于程序是用于数字表示还是用助记符表示。

以上的机器语言可以转换成如下所示的汇编语言，汇编语言的语法十分简单，以至于语法只有一个，即把“标签” “操作码（指令）”和“操作数（指令的对象）”并排写在一行上，仅此而已。

标签的作用是为该行代码对应的内存地址起一个名字。用汇编语言编程时可以在任何需要标签的地方“ 贴上” 名称任意的标签。在上图中，使用了名称为 “ LOOP：” 的标签。
操作码就是表示“ 做什么” 的指令。 因为用助记符表示的指令是英语单词的缩写，比如 LD 是 Load(加载）的缩写，所以较容易理解，汇编语言中提供了多少种助记符， CPU 就有多少种功能。

Z80 CPU 的指令全部加起来有 70 条左右。这里先把主要的指令列在表中，在浏览的过程中请注意这些指令的分类，按功能这些指令可以分成运算、与内存的输入输出和与 I/O 的输入输出三类，这是因为计算机能做的事业只有输入、运算、输出这三种了。

操作数表示的是指令执行的对象。 CPU 的寄存器、内存地址、I/O地址或者直接给出的数字都可以作为操作数。

如果某条指令需要多个操作数，那么它们之间要用逗号分割。操作数的个数取决于指令的种类。也有不需要操作数的指令，比如用于停止 CPU 运转的 HALT 指令。

将汇编语言语法总结一下：

操作（指令）发生的场所 - 操作作用于 -某个对象标签                           操作码       操作数

进制的转换

机器语言：二进制
汇编语言；十进制和十六进制。

这里是一些Z80 CPU 的主要指令：

3.3 Z80 CPU 的寄存器结构

我们之前讲过 CPU负责解释、执行程序，从内存或 I/O 输入数据，在内部进行运算，再把运算结果输出到内存或 I/O ，内存中存放着程序，程序是指令和数据的集合。 I/O 中临时存放着用于与周边设备进行输入输出的数据。

既然数据的运算是在 CPU中进行的，那么在 CPU 中应该有存储数据的地方，这种存储数据的地方叫做 “寄存器” ，虽然和 I/O 的寄存器都叫一个名字，但是有着不同的地方， CPU的寄存器不仅能存储数据， 还具备对数据进行运算的能力。

CPU带有什么样的寄存器取决于 CPU 的种类

如下所示：，A、B、C、D等字母是寄存器的名字。在汇编语言当中，可以将寄存器的名字指定为操作数。

IX、IY、SP、PC 这 4 个寄存器的大小是 16 比特，其余寄存器的大小都是 8 比特。寄存器的用途取决于它的类型。有的指令只能将特定的寄存器指定为操作数。

举例来说， A寄存器也叫做 ‘’累加器 ” ， 是运算的核心。所以连接到它上面的导线也一定会比其他寄存器多。

F 寄存器也叫作“标志寄存器”，用于存储运算结果的状态，比如是否发生了进位，数字大小的比较结果等。

PC 寄存器也叫作“程序指针”，存储着指向 CPU 接下来要执行的指令的地址。PC 寄存器的值会随着滴答滴答的时钟信号自动更新，可以说程序就是依靠不断变化的 PC 寄存器的值运行起来的。

SP寄存器 也叫作“栈顶指针”，用于在内存中创建出一块称为“栈”的临时数据存储区域。

寄存器有了一定的了解后。再来看一下之前代码的内容。

这段程序大体上可以分为两部分

设定 Z80 PIO
与 Z80 PIO 进行输入输出

Z80 带有两个端口（端口 A 和端口 B），用于与周边设备输入输出数据。首先必须为每个端口设定输入输出模式。

首先必须为每个端口设定输入输出模式。

这里端口 A用于接收由指拨开关输入的数据，为了实现这个功能，需要如下代码。

LD A, 207  -- 把数值 207 写入到寄存器 A 中
OUT (2), A -- 把寄存器 A 的值写入到地址 2 （I/O所对应的 A控制寄存器）中
LD A, 255 -- 把数值 255 写入到寄存器 A中
OUT (2), A  -- 把寄存器 A的值写入到 地址 2中

这里的 207 和 255 是连续向 Z80 PIO 的端口 A控制寄存器（对应地址编号为 2）写入的两个数据，虽然使用 OUT 指令可以向 I/O 写入数据，但是不能直接把 207、 255 这样的数字作为 OUT 指令的操作数， 操作数必须是已存储在 CPU 寄存器中的数字，这是汇编语言的规定。

一旦把 207 写入到端口 A控制寄存器， Z80 PIO 就明白了（想要设定端口 A的输入输出模式）。通过接下来写入的 255， Z80 PIO 就又知道（要把端口 A设定为输入模式）。

端口 B设定为输出模式

LD A, 207
OUT (3), A
LD A, 0  --与 255对应，将端口 B 设定为输出模式
OUT (3), A

完成了 Z80 PIO 的设定后，就进入了一段死循环处理，用于把由直播开关输入的数据输出到 LED。

LOOP: IN A, (0)  --不断从地址 0 （端口 A数据寄存器）中读取数据，输入到 CPU的寄存器 A中OUT (1), A -- 把寄存器 A的值写入到地址 1 （B数据寄存器上）JP LOOP  --跳转到 LOOP 继续执行指令

补充：
地址 0 —— 端口 A数据寄存器
地址 1 —— 端口 B数据寄存器
地址 2 —— 端口 A控制寄存器
地址 3 —— 端口 B控制寄存器

3.4 追踪程序的运行过程

** 用汇编语言编写的程序是不能直接运行的，必须先转换成机器语言。

CPU只能理解机器语言，无论是什么语言都必须最后转化为机器语言。

看下图所示，里面列出了实现转换出来的机器语言，以及对应的汇编语言。

1条汇编语言的指令所对应的机器语言由多个字节构成。
有的指令对应着 1 个字节的机器语言，有的指令则对应着多个字节的机器语言。
汇编语言中的 1 条指令能转换多少条机器语言取决于指令的种类以及操作数的个数。

。代码清单 3.3 中第一个内存地址是 00000000（0 号地址），下一个地址是 00000010（2 号地址），中间隔了 2 个地址，这说明如果从 0 号地址开始存储一条 2 字节的机器语言，那么下一条机器语言就从 2 号地址开始存储。

在这里，我们假设机器语言的程序是向上图代码一样被存储到内存中。

一旦重置了CPU， 00000000就会自动存储到 PC 寄存器中，这意味着接下里 CPU 将要从 00000000号地址读出程序。
首先 CPU 会从 0000000号地址读出指令 00111110，判断这是一个 2个字节构成的指令，紧接着寻找指令的对象（数据）
接下来会从下一个地址读出数据 11001111，把这两个数据汇集到一起解释、执行。执行的指令是把数值 207 写入到寄存器 A，用汇编语言表示的话就是“LD A, 207”

由于刚刚从内存读出了一条 2 字节的指令（占用 2 个内存地址），所以 PC 寄存器的值要增加
2，并接着从 00000010 号地址读出指令，解释并执行。

接下来的流程与此类似，通过反复进行“读取指令”“解释、执行指令”“更新 PC 寄存器的值”这 3 个操作，程序就能运行起来了。一旦执行完最后一行的 JP LOOP 所对应的机器语言，PC 寄存器的值就会被设为标签 LOOP 对应的地址 00010000，这样就可以循环执行同样的操作。请诸位重点观察 PC 寄存器是如何控制程序流程的。

3.5 尝试手工汇编

在 CPU 的资料中，明确写有所有可以使用的助记符，以及助记符转换成机器语言后的数值。只要查看这些资料，就可以把用汇编语言编写的程序手工转换成机器语言的程序，这样的工作称为“手工汇编”。进行手工汇编时，要一行一行地把用汇编语言编写的程序转换成机器语言。

下面就实际动手试一试吧。表 3.2 列出了汇编语言中必要指令的助记符、助记符所对应的机器语言，以及执行这些机器语言所需的时钟周期数。
下面就从汇编语言的第 1 行开始转换。第一行的“LD A, 207”匹配“LD A, num”这个模式，所以可以先转换成“00111110 num”。然后将十进制数的 207 转换成 8 比特的二进制数，用这个二进制数替换 num。使用 Windows 自带的计算器程序就可以很方便地把十进制数转换成二进制数。从 Windows 的开始菜单中选择“运行”，输入 calc 后点击“确定”按钮，就可以启动计算器程序。

可以理解为助记符 LD A ,num分为两部分组成，一部分表示为操作行为，比如往寄存器中输入数值（num）：这里转化为 00111110 ，另一部分是操作对象（数值 num），然后将助记符中的 num(十进制数） 转化为机器语言的 num(二进制数)。

在计算器中， 207 的二进制为 11001111 ，至此， “LD A 207” 就转换成了机器语言 00111110 11001111 。由于这条指令存储在内存最开始的部分（00000000号地址），因为它是第一条指令。所以要把这条指令和内存地址想像下面这样并排写下来。

第二部分一样，最终就得到了机器语言 “ 11010011 00000010” ，因为之前内存中已经存储了 2 自己解的机器语言，所以这条机器语言从 00000010 号地址开始记录。

在这里，内存中存储如下：

一点重要知识

到最后一句的 JP LOOP 匹配模式 “ JP num”，所以可以先转换成“11000011 num”。

请注意**这里要用 16 比特的二进制数替代作为内存地址的 num**。

在微型计算机中是以 8 比特为单位指定内存地址的，但在Z80 CPU 中用于设定内存地址的引脚却有 16 个，所以在机器语言中也要用 16 比特的二进制数设定内存地址。JP 指令跳转的目的地为00010000，即“LOOP:”标签所标示的语句“LD A, 0”对应的内存地址。把这个地址扩充为 16 比特就是“00000000 00010000”。要扩充到16 位，只需要把高 8 位全部设为 0 就可以了。

还有一点希望诸位注意，在将一个 2 字节的数据存储到内存时，存储顺序是低 8 位在前、高 8 位在后（也就是逆序存储）。这样的存储顺序叫作“小端序”（Little Endian）.

与此相反，将数据由高位到低位顺序地存储到内存的存储顺序则叫作“大端序”（Big Endian）。根据CPU 种类的不同，有的 CPU 使用大端序，有的 CPU 使用小端序。Z80CPU 使用的是小端序，因此 JP LOOP 对应的机器语言为“11000011 00010000 00000000”。

3.6 尝试估算程序的执行时间—— 拓展

一直没有考虑过计算机的时间变化问题，在看了这本书之后对计算机的理解又更深了一个层次。

请先向前翻到表 3.2，找出执行每条汇编语言指令所需的时钟周期数。然后把代码清单 3.2 中所用到的每条指令的时钟周期数累加起来。于是可以算出到 LOOP 标签为止的 8 条指令共需要 7＋11＋7＋11＋7＋11＋7＋11 = 72 个时钟周期；LOOP 标签之后的 3 条指令共需要 11＋11＋10 = 32 个时钟周期。

因为微型计算机采用的是2.5 MHz 的晶振， 也就是 1 s 可以产生 250 万个时钟周期。

所以每个时钟周期是 1秒 ÷ 250 万＝ 0.0000004 秒 = 0.4 微秒。72 个时钟周期就是 72×0.4 = 28.8 微秒；32 个时钟周期就是 12.8 微秒。

这段程序是用 LED 的亮或灭来表示指拨开关的开关状态，所以 LOOP 标签之后所执行的操作“输入、输出、跳转”每 1 秒可以反复执行 1 秒 ÷12.8 微秒 / 次 = 78125 次之多，可见计算机的计算速度有多么惊人。