计算机系统概论第七章

第七章汇编语言到目前为止，我们已经有点厌倦了用1和0来编程，我们需要知道0001表示“加”；1001表示“非”。

如果我们采用一些有意义的符号表示“地址”，而不用去记忆它的16位地址，这岂不是更好吗？并且如果我们能够用一些易于理解的方式来代替那些指令，而无需记住各个指令的二进制表示传达了什么信息，这该是多么好的一件事啊！事实上，已经有了这样的机制。

本章里，我们将介绍汇编语言，它不仅实现了上述目标，还扩展了一些功能。

7.1 汇编语言程序设计——向上一个层次回忆一下我们在第一章的1.6节中提到的层次的转换。

我们把算法转化成用机械语言描述的程序。

这些机械语言，可以是像我们在第五章中所学习的特定计算机上的机器语言。

回忆一下，如果一个程序的每个指令都是来源于该计算机的指令集结构（ISA）,那么这个程序就是用计算机的机器语言来编写的。

另一方面，机械语言的用户友好程度也可以更高一些。

我们通常把机械语言分成两个级别：高级语言与低级语言。

二者之中，高级语言要比低级语言的用户友好程度更高。

例如C++、C、Fortran、COBOL、Pascal，加起来超过一千种之多。

在高级语言中几乎所有的指令(也不尽然)都类似于自然语言，如英语。

高级语言倾向于独立于指令集结构(ISA)。

这就是说，一旦你学会如何用针对某个ISA 上的C语言（或Fortran或Pascal）编程，对于其他ISA 上的C语言（或Fortran或Pascal）编程来说,你只需要迈出一小步就可以了。

一个用高级语言编写的程序执行之前,它首先必须被翻译成适合于期望执行的那台特定计算机的ISA的程序。

通常，高级语言的一条语句可以表示为ISA上的几条指令。

在第十一章，我们将给大家介绍一种高级语言——C语言，并且在第十二章到第十九章，我们将给大家介绍C语言中各种语句和它们转换成相应的LC-3代码之间的关系。

但是，在本章，我们只从第五章的ISA往上移动一小步。

这一小步是从一个机器的ISA到该ISA的汇编语言，汇编语言是一种低级语言。

请不要混淆英语中低级语言的指令和语句两个单词。

通常每个汇编语言的指令指的是一条ISA的指令。

与高级语言不同的是，高级语言是独立于ISA的，而低级语言是要依赖于ISA的。

事实上，每一个ISA通常只有一套汇编语言。

汇编语言的目的是使程序设计的用户友好性比机器语言（即我们正在涉及的计算机的ISA）更强，但是，它同样能使程序员详细的控制计算机能执行的指令。

也就是说，我们既能控制计算机能执行的详细指令，又不必记住1001表示什么操作码，0001又是代表的什么操作码，或者在地址0011111100001010中存储的是什么，什么内容会被存储到0011111100000101中。

汇编语言让我们可以用一些便于记忆的符号表示操作码，例如ADD 和NOT；用一些有意义的符号表示存储单元，例如用SUM和PRODUCT，而不再是16位地址来表示，这将使我们更容易区别用SUM和用PRODUCT表示的地址。

我们称其为“符号地址”。

我们将会看到，从第十一章开始，当我们向上移动了一大步到一种高级语言（如C语言）时，编写程序对用户来说将会更加的友好，但是使用高级语言会让我们放弃了对准备执行的详细指令的精确的控制。

7.2 一个汇编语言程序我们使用一个例子来学习LC-3汇编语言。

图7.1中的这个程序用自加6次实现把一个整数乘以6。

举个例子，如果这个整数是123，程序将会通过完成123+123+123+123+123+123，计算出结果。

这个程序由21行代码构成。

我们已经给每行代码添加了“行号”来使我们能容易地找到每一行。

这是个普遍的做法。

这些行号不是程序的一部分。

以分号开头的共10行，表明它只是为了让人阅读的目的，稍后再讲。

06，07，08，0C，0D，0E和10这7行是汇编语言指令，将被翻译成LC-3的机器语言指令，是当程序运行时真正被执行的指令。

剩下的4行05，12，13和15包含了伪操作，是程序员为翻译程序给出的有助于翻译过程的消息。

翻译程序被称为汇编器（本书中称为LC-3汇编器），翻译过程被称为汇编。

01 ；02 ；用6乘以一个整数的程序。

03 ；执行之前，该整数存储于NUMBER中。

04 ；05 .ORIG x305006 LD R1, SIX07 LD R2, NUMBER08 AND R3,R3,#0 ；R3清零，它将09 ；包含乘积。

0A ；内部循环0B ；0C AGAIN ADD R3,R3,R20D ADD R1,R1,# -1 ；R1跟踪0E BRp AGAIN ；循环次数0F ；10 HALT11 ；12 NUMBER .BLKW 113 SIX .FILL x000614 ；15 .END图7.1 一个汇编语言程序7.2.1 指令汇编语言的指令不再是LC-3的ISA中的0和1的组合，在汇编语言中，一条指令包括四个部分，如下所示：标记（LABEL）操作码（OPCODE）操作数（OPERANDS）；注释（COMMENTS）其中的两个部分（标记和注释）是可选的，稍后会讲。

操作码和操作数这两个部分是必不可少的。

一条指令必须有一个操作码（这条指令是做什么的），还要有适当数目的操作数（对谁进行操作）。

不必感到惊讶，这正是我们在第五章学习LC-3 ISA所遇到的。

对于对应的LC-3指令的操作码来说，OPCODE只是一个符号名。

记住符号名ADD，AND和LDR所表示的操作要比记住4位的0001，0101或0110要容易的多。

图5.3（图A.2同样）列出了15种LC-3指令的OPCODE。

从526页到541页显示了15种指令所对应的汇编语言的表示。

操作数的数目取决于正在执行的操作。

例如，ADD指令（0C行）需要3个操作数（两个获取加数的源操作数，和一个被指定用来存放结果的目标操作数）。

3个操作数必须在该指令中被明确的标识出来。

AGAIN ADD R3, R3, R2从寄存器2和寄存器3获得的操作数被相加，结果被放在寄存器3中。

我们用R0,R1,…,R7来表示寄存器0到7。

LD指令（07行）需要2个操作数（被读取的数值所在的存储单元，和指令执行结束后，包含那个数值的目标寄存器）。

我们看到该存储单元通过称为标记的符号地址给出。

在此，被读取的数值所在的存储单元被标记NUMBER给出。

那个数值的目标是被加载进寄存器2。

LD R2, NUMBER正如我们在5.1.6节中讨论的，操作数可以通过寄存器、存储器或指令中的字面值（即立即数）获得。

在寄存器操作数的情况下，寄存器被明确的表示出来（如0C行中的R2和R3）。

在存储器操作数的情况下，存储器的符号名称被明确的表示出来（如07行中的NUMBER和06行中的SIX）。

在立即数操作数的情况下，实际的值被明确的表示出来（如08行中的数值0）。

AND R3, R3, #0 ; R3清零，它将包含乘积。

一个字面值必须包含一个表明该数的基的符号。

我们用“#”表示十进制，用“x”表示十六进制，用“b”表示二进制。

有时，例如3F0A的值不存在含糊性，它表示十六进制。

虽然如此，我们仍把它写作x3F0A。

有时，例如1000的值存在含糊，x1000表示十进制数4096，b1000表示十进制数8，而#1000表示十进制数1000。

标记标记是程序中用来明确的标识存储单元的符号名。

在LC-3汇编语言中，标记由1到20个字母、数字（即字母表中的大、小写字母，或十进制数位）组成，并且以字母表中的字母开头。

NOW，Under21，R2D2和C3PO都是LC-3汇编语言的标记的例子。

使用标记表示存储单元的原因有两个：1、该单元为某个分支指令的目标（如0C行中的AGAIN）;2、该单元包含的是某个被加载或存储的值（如12行中的NUMBER，13行中的SIX）。

单元AGAIN被0E行的分支指令所引用。

BRp AGAIN如果ADD R1,R1,#-1的结果是正数（通过P条件码被设为1而证实），那么程序跳转到被AGAIN明确标识的存储单元，从而执行又一次的循环。

单元NUMBER被07行的加载指令所引用。

存储在NUMBER被明确标识的存储单元中的值，被加载到R2中。

如果某个单元在程序中未被引用，那么就不需要为它设一个标记。

注释注释只是给人看的信息。

对于翻译过程没有影响，事实上，LC-3汇编器对它不起作用。

在程序中，注释通过分号被标识出来。

分号表示该行的分号后面的部分是注释，被汇编器忽略。

如果分号是某行的第一个非空字符，那么整行都被忽略。

如果分号位于一条指令的操作数之后，那么，只有注释被汇编器忽略。

注释的目的是为了让程序更好的被读者理解。

它们帮助解释一条或一组指令的非直观上的表象。

在08行和09行，注释“R3清零，它将包含乘积”，让读者知道08行的指令是在计算两个数的乘积之前先对R3初始化。

08行的目的对于今天的程序员可能是明显的，但是如果两年后，在该程序员又写了3万行代码后，他/她不可能记得为什么写下ADD R3,R3,#0。

另一种可能的情况是，两年后，该程序员不在该公司工作了，而公司为了产品的升级，需要修改程序，如果这个任务被指派给一个以前没看过这段代码的人，注释对于提高理解力大有帮助。

做注释不是重申一个显而易见的表象，重要的是提供补充的理解。

这有2个原因，第一，重申一个显而易见的表象的注释，是浪费人的时间，第二，重申一个显而易见的表象，会给程序增加混乱，而使那些重要的注释不明显了。

例如，0D行，如果注释“R1减1”就是个坏主意。

它不能为指令提供补充的理解，只是增加的页面的混乱。

注释的另一个目的，也就是在一行中明智的使用空格，可以使程序的可视化的表现更易于被理解。

例如，注释可以被用来将程序分割为一个个片断，使程序更具可读性。

也就是说，为了计算出某一个结果而一起工作的代码行被放在连续的行中，而产生不同的结果的程序片断相互分隔开来。

例如，0C到0E行，被0B和0F两行与其他代码分隔开，在0B和0F两行除了分号什么都没有。

被汇编器忽略的空格也为程序对齐提供了机会，从而更易读。

例如，所有操作码都开始于页面中的相同的列。

7.2.2 伪操作（汇编指令）LC-3汇编器把输入的字符串，作为一个使用LC-3汇编语言写的计算机程序，并将其翻译为LC-3的ISA程序。

伪操作有助于汇编器实现其任务。

实际上，对于伪操作的更正式的名字是汇编指令。

之所以被称为伪操作，是因为它们不是在程序执行过程中被执行的操作，相反地，伪操作只是在汇编过程中，为了帮助汇编器而发给汇编器的信息。

一旦汇编器处理了这个信息，伪操作就被抛弃掉。

LC-3汇编器包括5个伪操作：.ORIG, .FILL, .BLKW, .STRINGZ和.END。

所有的都把“点”作为第一个字符，可以容易的被识别出来。