03|汇编:编程语言的诞生
文章目录
你好,我是七牛云许式伟。
在上一篇文章中,我们一起解剖了架构大厦的地基:冯·诺依曼体系。接下来,我们就开始沿着这座大厦攀登,一起来聊聊编程语言。
对于现代计算机来说,虽然 CPU 指令是一个很有限的指令集,但是 CPU 执行的指令序列(或者叫“程序”)并不是固定的,它依赖于保存在存储中的数据,由软件工程师(或者叫“程序员”)编写的软件决定。
从上一篇文章中,我们可以知道,计算机的程序可能被保存在计算机主板的 ROM 上(这段程序也叫计算机的启动程序),也可能被保存在外置的存储设备(比如硬盘)上,并在合适的时机加载执行。
程序称得上是计算机的灵魂。指令序列的可能性是无穷的,程序的可能性就是无穷的。今天计算机创造的世界如此多姿多彩,正是得益于程序无穷的可能性。
那么,软件工程师是怎么编写程序的?
编程的史前时代
在第一门面向程序员的编程语言出现前,人们只能通过理解 CPU 指令的二进制表示,将程序以二进制数据方式刻录到存储(比如 ROM 或硬盘)上。
这个时期的编程无疑是痛苦的,效率是极其低下的:且不说我们怎么去修改和迭代我们的程序,光将我们的想法表达出来就极其困难。
我们首先要把表达的执行指令翻译成二进制的比特数据,然后再把这些数据刻录到存储上。
这个时候软件和硬件的边界还非常模糊,并不存在所谓软件工程师(或者叫“程序员”)这样的职业。写程序也并不是一个纯软件的行为,把程序刻录到存储上往往还涉及了硬件的电气操作。
为了解决编程效率的问题,汇编语言(和解释它的编译器)诞生了。汇编语言的编译器将汇编语言写的程序编译成为 CPU 指令序列,并将其保存到外置的存储设备(比如硬盘)上。
汇编语言非常接近计算机的 CPU 指令,一条汇编指令基本上和 CPU 指令一一对应。
与机器对话
汇编语言的出现,让写程序(编程)成为一个纯软件行为(出现“程序员”这个分工的标志),人们可以反复修改程序,然后通过汇编编译器将其翻译成机器语言,并写入到外置的存储设备(比如硬盘)。并且,程序员可以按需执行该程序。
在表达能力上,汇编语言主要做了如下效率优化。
- 用文本符号(symbol)表达机器指令,例如 add 表示加法运算,而不用记忆对应的 CPU 指令的二进制表示。
- 用文本符号(symbol)表达要操作的内存地址,并支持内存地址的自动分配。比如我们在程序中使用了“Hello”这样一段文本,那么汇编编译器将为程序开辟一段静态存储区(通常我们叫“数据段”)来存放这段文本,并用一个文本符号(也就是“变量名 -variable”)指向它。用变量名去表达一段内存数据,这样我们就不用去关注内存的物理地址,而把精力放在程序的逻辑表达上。
- 用文本符号(symbol)表达要调用的函数(function,也叫“过程 -procedure”)地址。对 CPU 指令来说,函数只有地址没有名字。但从编程的角度,函数是机器指令的扩展,和机器指令需要用文本符号来助记一样,函数的名称也需要用文本符号来助记。
- 用文本符号(symbol)表达要跳转的目标地址。高级语言里面,流程控制的语法有很多,比如 goto、if … else、for、while、until 等等。但是从汇编角度来说,只有两种基本的跳转指令:无条件跳转(jmp)和条件跳转 (je、jne)。同样,跳转的目标地址用文本符号(也就是“标签 -label”)有助于程序逻辑的表达,而不是让人把精力放在具体的指令跳转地址上。
总结来说,汇编从指令能力上来说,和机器指令并无二致,它只不过把人们从物理硬件地址中解脱出来,以便专注于程序逻辑的表达。
但是,这一步所解放的生产力是惊人的,毕竟如果有选择的话,没有人会愿意用 0101 这样的东西来表达自己的思想。
可自我迭代的计算机
从探究历史的角度,你可能会期望了解最真实的历史发展过程。比如:怎么产生了现代计算机(以键盘作为输入,显示器作为输出)?怎么产生了汇编语言?怎么产生了操作系统?
不过,本专栏是以架构设计为目的,我们目的并不是还原最真实的历史。架构的意义在于创造。我们甚至可以设想一个有趣的场景:假设今天我们的信息科技的一切尚不存在,那么从架构设计角度,我们从工程上来说,如何更高效地完成从 0 到 1 的信息科技的构建?
最早的输入输出设备并不是键盘和显示器,而是打孔卡和打印机。用打孔卡来作为机器指令的输入,早在 18 世纪初就被用在织布机上了。早期的数字计算机就是用打孔卡来表达程序指令和输入的数据。
下图是 IBM 制造的打孔卡:
我们可以想象一下,第一台以键盘 + 显示器为标准输入输出的现代计算机出现后,一个最小功能集的计算机主板的 ROM 上,应该刻上什么样的启动程序?换句话说,这个现代计算机具备的最基本功能是什么?
从高效的角度(不代表真实的历史,真实历史可能经历过很多曲折的发展过程),我想,它最好具备下面的这些能力。
- 键盘和显示器的驱动程序。
- 当时最主流的外置存储设备(不一定是现代的硬盘)的驱动程序。
- 一个汇编程序编辑器。可从存储中读取汇编程序代码,修改并保存到存储中。
- 一个汇编编译器。可将汇编程序代码编译成机器代码程序,并保存到存储中。
- 可以执行一段保存在外置存储设备中的机器代码程序。
本质上,我们是要实现一个最小化的计算能力可自我迭代的计算机。
这个时期还没有操作系统(当然,把 ROM 上的启动程序 BIOS 看做一种最小化的操作系统,我觉得也可以,但毕竟不是现实中我们说的操作系统)。
汇编语言的出现要早于操作系统。操作系统的核心目标是软件治理,只有在计算机需要管理很多的任务时,才需要有操作系统。
所以,在没有操作系统之前,BIOS 包含的内容很可能是下面这样的:
- 外置存储设备的驱动程序;
- 基础外部设备的驱动程序,比如键盘、显示器;
- 汇编语言的编辑器、编译器;
- 把程序的源代码写入磁盘,从磁盘读入的能力。
最早期的计算机毫无疑问是单任务的,计算的职能也多于存储的职能。每次做完任务,计算机的状态重新归零(回到初始状态)都没有关系。
但是,有了上面这样一个 BIOS 程序后,计算机就开始发展起它存储的能力:程序的源代码可以进行迭代演进了。
这一步非常非常重要。计算机的存储能力的重要性如同人类发明了纸。纸让人类存储了知识,一代代传递下去并不断演进,不断发扬光大。
而同样有了存储能力的计算机,我们的软件程序就会不断被传承,不断演进发扬光大,并最终演进出今天越来越多姿多彩的信息科技的世界。
结语
今天我们一起回到了编程的史前时代,共同回溯了编程语言诞生的历史。
为了不再用“0101”表达自己的思想,人们创造了汇编语言,这一步让编程成为一个纯软件行为,程序员这一个分工也由此诞生。
为了进一步支持程序员这个职业,我们设计了 MVP 版(最小化可行产品)的可自我迭代的计算机。有了这个计算机,我们就可以不断演进,并最终演进出今天越来越多姿多彩的信息科技的世界。
架构上的思考题
在上一篇文章中,我们谈架构思维时提到,我们在需求分析时,要区分需求的变化点和稳定点。稳定点往往是系统的核心能力,而变化点则需要对应地去考虑扩展性上的设计。
今天,我们假设要实现一个最小化的计算能力可自我迭代的计算机,需求如上所述。
那么,它的变化点和稳定点分别是什么?为此,你会怎么设计出哪些子系统,每个子系统的规格是什么?扩展性上有哪些考虑?
欢迎把你的想法告诉我,我们一起讨论。感谢你的收听,再见。
文章作者 anonymous
上次更新 2024-01-15