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摘要：匯編器是怎么把對應的匯編代碼，翻譯成為機器碼的。總結打孔卡，其實就是一種存儲程序型計算機。推薦閱讀了解的指令集參看計算機組成與設計軟硬件接口第版的小節參考深入淺出計算機組成原理
你在學寫程序的時候，有沒有想過，古老年代的計算機程序是怎么寫出來的？
當年寫程序，不像現在這樣，都是用一種古老的物理設備，叫作“打孔卡（Punched Card）”
用這種設備寫程序，沒法像今天，掏出鍵盤就能打字，而是要先在腦海/紙寫出程序，然后在紙帶/卡片上打洞
這樣，要寫的程序、要處理的數據，就變成一條條紙帶或者一張張卡片，之后再交給當時的計算機去處理
上世紀60年代晚期或70年代初期，Arnold Reinold拍攝的FORTRAN計算程序的穿孔卡照片
人們在特定的位置上打洞或者不打洞，來代表“0”或者“1”。
為什么早期的計算機程序要使用打孔卡，而不能像我們現在一樣，用C或者Python這樣的高級語言來寫呢？
因為計算機或者說CPU本身，并沒有能力理解這些高級語言
即使在2019年的今天，我們使用的現代個人計算機，仍然只能處理所謂的“機器碼”，也就是一連串的“0”和“1”這樣的數字。
我們每天用高級語言的程序，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？
1 在軟硬件接口中，CPU幫我們做的事CPU(Central Processing Unit，中央處理器)就是計算機的大腦
硬件的角度
一個超大規模集成電路，通過電路實現了加法、乘法乃至各種各樣的處理邏輯。
軟件工程師的角度
一個執行各種計算機指令（Instruction Code）的邏輯機器
這里的計算機指令，就好比一門CPU能夠聽得懂的語言，即機器語言（Machine Language）
不同的CPU能夠聽懂的語言不太一樣
個人PC用的是Intel的CPU，iPhone用的是ARM的CPU,這兩者能聽懂的語言就不太一樣
類似這樣兩種CPU各自支持的語言，就是兩組不同的計算機指令集(Instruction Set)
這里面的“Set”，其實就是數學上的集合，代表不同的單詞、語法
如果我們在自己電腦上寫一個程序，然后把這個程序復制一下，裝到自己的手機上，肯定是沒辦法正常運行的，因為這兩者語言不通
而一臺電腦上的程序，簡單復制一下到另外一臺電腦上，通常就能正常運行，因為這兩臺CPU有著相同的指令集，它們語言相通
存儲程序型計算機（Stored-program Computer）
計算機程序，不可能只有一條指令，而是成千上萬條指令組成
但CPU不能一直放著所有指令，所以程序平時是存儲在存儲器
這種程序指令存儲在存儲器里面的計算機，我們就叫作
Plugboard Computer
在沒有現代計算機之前，有著聰明才智的工程師們，早就發明了一種叫Plugboard Computer的計算設備
在一個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連接不同的插口和插座，從而來完成各種計算任務
IBM的Plugboard
2 編譯=>匯編 代碼=>機器碼代碼，到底是怎么變成一條條計算機指令，最后被CPU執行的呢？
test.c
編譯（Compile）成匯編代碼
要讓這段程序在Linux跑起來，需要把整個程序翻譯成匯編語言（ASM，Assembly Language）的程序
針對匯編代碼，可以再用匯編器（Assembler）翻譯成機器碼（Machine Code）
這些機器碼由“0”和“1”組成的機器語言表示,這一條條機器碼，就是一條條的計算機指令
這樣一串串的16進制數字，就是我們CPU能夠真正認識的計算機指令。
在Linux上，可使用gcc和objdump，把對應的匯編代碼和機器碼都打印出來。
左側一堆數字，就是一條條機器碼
右邊一系列的push、mov、add、pop等，這些就是對應的匯編代碼
一行C語言代碼，有時候只對應一條機器碼和匯編代碼，有時候則是對應兩條機器碼和匯編代碼
匯編代碼和機器碼之間是一一對應的。
實際在用GCC（GUC編譯器套裝，GUI Compiler Collectipon）編譯器的時候，可直接把代碼編譯成機器碼，為什么還需要匯編代碼呢？
那一串數字表示的機器碼，摸不著頭腦
但即使你沒有學過匯編代碼，看的時候多少也能“猜”出一些這些代碼的含義。
匯編代碼就是“給程序員看的機器碼”
也正因為這樣，機器碼和匯編代碼是一一對應的
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，所以會非常難以記憶
從高級語言到匯編代碼，再到機器碼，就是一個日常開發程序，最終變成了CPU可以執行的計算機指令的過程。
3 解析指令和機器碼了解了這個過程，下面我們放大局部，來看看這一行行的匯編代碼和機器指令，到底是什么意思。
Intel CPU，有2000條左右的CPU指令，實在是太多了，沒法一一講解。不過一般來說，常見的指令可以分成五大類。
算術類指令加減乘除，在CPU層面，都會變成一條條算術類指令
數據傳輸類指令給變量賦值、在內存里讀寫數據，用的都是數據傳輸類指令。
邏輯類指令邏輯上的與或非
條件分支類指令日常的“if/else”
無條件跳轉指令寫一些大一點的程序，我們常常需要寫一些函數或者方法
在調用函數的時候，其實就是發起了一個無條件跳轉指令。
匯編器是怎么把對應的匯編代碼，翻譯成為機器碼的。
不同的CPU有不同的指令集，也就對應著不同的匯編語言和不同的機器碼
為了方便你快速理解這個機器碼的計算方式，我們選用最簡單的MIPS指令集，來看看機器碼是如何生成的。
MIPS是一組由MIPS技術公司在80年代中期設計出來的CPU指令集。就在最近，MIPS公司把整個指令集和芯片架構都完全開源了。想要深入研究CPU和指令集的同學，推薦一些資料，可以自己了解下。
MIPS的指令是一個32位的整數，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
一般用來做算術和邏輯操作，里面有讀取和寫入數據的寄存器的地址
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候，擴展操作碼表示對應的具體指令的。
I指令
通常是用在數據傳輸、條件分支，以及在運算的時候使用的并非變量還是常數的時候
這個時候，沒有了位移量和操作碼，也沒有了第三個寄存器，而是把這三部分直接合并成了一個地址值或者一個常數。
J指令
一個跳轉指令，高6位之外的26位都是一個跳轉后的地址
add $t0,$s2,$s1
下面都用十進制來表示對應的代碼。
對應的MIPS指令里
opcode是0
rs代表第一個寄存器s1的地址是17
rt代表第二個寄存器s2的地址是18
rd代表目標的臨時寄存器t0的地址是8
因為不是位移操作，所以位移量是0
把這些數字拼在一起，就變成了一個MIPS的加法指令。
為了讀起來方便，我們一般把對應的二進制數，用16進制表示出來
在這里，也就是0X02324020。這個數字也就是這條指令對應的機器碼。
回到開頭我們說的打孔帶
打孔代表1
沒有打孔代表0
用4行8列代表一條指令來打一個穿孔紙帶，那么這條命令大概就長這樣：
你應該學會了怎么作為人肉編譯和匯編器，給紙帶打孔編程了，不用再對那些用過打孔卡的前輩們頂禮膜拜了。
4 總結打孔卡，其實就是一種存儲程序型計算機。
只是這整個程序的機器碼，不是通過計算機編譯出來的，而是由程序員的人腦“編譯”成一張張卡片的
對應的程序，也不是存儲在設備里，而是存儲成一張打好孔的卡片
但是整個程序運行的邏輯和其他CPU的機器語言沒有什么分別，也是處理一串“0”和“1”組成的機器碼而已。
我們看到了一個C語言程序，是怎么被編譯成為匯編語言，乃至通過匯編器再翻譯成機器碼的。
除了C這樣的編譯型的語言之外，不管是Python這樣的解釋型語言，還是Java這樣使用虛擬機的語言，其實最終都是由不同形式的程序，把我們寫好的代碼，轉換成CPU能夠理解的機器碼來執行的。
只是解釋型語言，是通過解釋器在程序運行的時候逐句翻譯，而Java這樣使用虛擬機的語言，則是由虛擬機對編譯出來的中間代碼進行解釋，或者即時編譯成為機器碼來最終執行。
5 推薦閱讀了解Intel CPU的指令集參看
《計算機組成與設計：軟/硬件接口》第5版的2.17小節
參考深入淺出計算機組成原理
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