建造一台电脑，如果你不小心穿越回过去(下)

作者:Max Maxfield

在我前一列，我开始思考和反复思考，如果我不经意间进入了一个时间轴，发现自己回到了20世纪30年代末或40年代初，我该怎么做才能把食物放在桌子上。为了增加趣味性和轻浮感，我思考了这种不稳定的时间轴是否也把我带到了一个平行的维度，在这个维度中，计算机科学仍然根植于模拟领域。

我认为自己擅长的一件事是从头开始设计一台数字计算机(如果不是靠我的诠释舞者技能养活自己，那真的不是一个很好的选择)。

您可能还记得，我们决定遵循的过程是为我们的中央处理单元(CPU)确定指令集架构(ISA)，选择一种实现技术(继电器、真空管……)，并构建这个野兽的硬件部分，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)等组件，以及穿孔纸制品写入器、读取器和电传打字终端、纸带或穿孔卡片形式的媒体等设备。

下一步，我们必须集中我们的注意力将是如何编程我们大胆的美丽。从本质上讲，任何数字计算机都只理解自己的机器码;也就是说，0和1的二进制模式表示其核心指令和任何相关数据。

我们的第一个选择(在我们自己的多元宇宙切片中的人们所采用的)将是使用铅笔和纸在机器代码中捕获我们的程序。例如，假设一个16位地址总线和一个8位数据总线，这样的程序可能看起来像下面这样:

使用铅笔和纸捕获的机器代码程序
(图片来源:Max Maxfield)

随后，我们可以使用两组可靠的拨动开关将这个机器代码程序输入到计算机的内存中:一组指定地址，另一组定义操作码(指令)和操作数(与指令相关的额外数据或地址值)。

除了费时费力之外，用机器码捕获程序并不像我说的那么有趣，特别是当您考虑到编辑程序以插入或删除指令的行为将改变它后面所有内容的地址时。

因此，我们的下一步将是构想并记录某种形式的符号表示，使人类更容易书写、阅读和理解。除了使用助记符来表示CPU支持的每个指令(例如，LDA = " Load Accumulator "， DECA = " Decrement Accumulator "， JNZ = " Jump if Not 0 ")，这样的语言还支持常量、注释、符号标签、汇编指令等。

回到我们世界中实际发生的事情，由于以这种符号形式捕获的程序最终需要被“组装”成相应的机器代码，因此这种符号形式被称为“汇编”语言，而将这些程序翻译成机器代码的行为被称为“装配”。

最初，我们将使用铅笔和纸捕获汇编代码程序。一个示例程序可能如下所示:

使用铅笔和纸捕获的汇编代码程序
(图片来源:Max Maxfield)

汇编语言相对于机器代码的最大优势是我们(人类)可以实际阅读和理解它。然而，首先，我们仍然必须手工组装程序(即，将其转换为可执行的机器代码)。同样，我们会用铅笔和纸来做。再说一次，一旦我们手工组装了我们的程序，我们仍然需要用我们的拨码开关把它输入我们的计算机。

正如我们在上一篇专栏文章中所讨论的，除了定义我们的ASCII码版本(0和1的二进制模式，用于表示字母数字字符、标点字符和控制代码)之外，我们的下一步可能是使用手工编码和组装过程来创建一些简单的实用程序来执行诸如读写纸带和/或穿孔卡片之类的任务。

我们还将使用手工编码和组装过程来创建一个简单的文本编辑器和一个简单的汇编程序，后者是一个可以读取汇编源文件并为我们将其组装成机器代码的程序。此时，我们几乎肯定会开始循环使用我们的简单文本编辑器来捕获更复杂的汇编程序的汇编源代码，然后使用我们当前的汇编程序来组装更复杂的汇编程序。同时，我们可能会使用当前的文本编辑器来捕获更复杂的编辑器的汇编源代码，然后使用最新的、最好的汇编程序来组装更复杂的编辑器。

一方面，这个过程相当令人难以置信，但它也有某种优雅的简单性(我也想起了老程序员的笑话:“为了理解递归，必须先理解递归”)。

汇编语言的问题之一是它与计算机的核心指令集绑定在一起，这意味着每台机器都有自己的语言。反过来，这意味着(如果我们将交叉汇编程序的概念排除在我们的讨论之外)，不可能为一台计算机编写汇编语言程序，然后将其组装到另一台计算机上使用。

汇编语言的另一个问题是，尽管专业用户可以编写简洁高效的代码，但这通常需要花费大量时间，这意味着用户通常只以一种方式做事，而不会花大量时间试验其他实现。

最终，我们的用户将不再满足于在汇编语言级别上工作，并将要求一种更简单的做事方式。一种解决方案是定义一种更高级的语言表示形式，允许我们使用诸如“if ((a== 6) and (b < 10)) then…”这样的语句。在我们的现实世界中有一种这样的语言叫做C，为什么是C呢?当时已经有一种语言叫做“B”(真的)。

一旦我们定义了我们的新语言，我们就可以使用最新最好的编辑器以这种语言捕获源代码程序，但是接下来我们要做什么呢?我们仍然需要一些方法来将源代码转换为可以在我们的计算机上运行的等效机器代码表示。执行这种转换的一种方法是使用我们可能称为编译器的程序，之所以这样命名是因为它将从读取源代码和编译变量和函数等列表开始。

当然，当你开始思考这个问题时，我们将不得不用汇编语言创建我们的第一个C编译器，因为这是我们目前必须使用的所有东西。只有在我们使用编辑器捕获编译器的汇编语言版本，并使用汇编器将其组装成机器码之后，我们才能最终使用编译器的这个机器码版本将用C源代码编写的程序翻译(“编译”)为它们的机器码等价物。

我们的第一个C编译器可能是一个只支持C语言的一个子集的基本实现，这可能不会让您感到惊讶。再一次，我们将遵循一个循环过程，使用当前的文本编辑器为更复杂的C编译器捕获C源代码，然后使用当前的C编译器编译更复杂的编译器，循环往复(再次，我的头在旋转)。

C编译器实际上并不生成机器代码，尽管从普通观察者的角度来看它似乎是这样做的。实际发生的事情是——在幕后和幕后——编译器生成汇编代码，汇编代码被交给汇编程序来生成最终的机器代码。

迁移到更高级别的编程抽象(如c)有很多好处。例如，假设我们创建了几种不同类型的计算机。在这种情况下，一旦我们为每台计算机创建了编译器，我们就可以用C源代码编写一个程序，并将其编译成每台计算机所需的机器代码。另一个优点是，在更高的抽象级别上工作使我们能够更快速、更容易地探索每个编程问题的不同解决方案。

好了，结果出来了。抽象的三个层次:C语言、汇编语言和机器代码。事情要是这么简单就好了。我们仍然必须考虑有无数高级编程语言的事实什么是编译器?吉姆·特里(Jim Turley);此外，编译器只是一种方法，因为我们还有解释语言，线程解释语言，被翻译成字节码的语言，在虚拟机上运行，然后事情开始变得复杂。

我不知道你怎么想，但我觉得这类事情非常有趣。我有一种冲动，想更深入地研究这些不同的做事方式，但如果你不分享我的热情，我就不想这么做，所以我会让你发表评论说“是”或“否”。当然，像往常一样，我也欢迎任何其他评论、问题或建议。