03 | 汇编：编程语言的诞生

Apr 23, 2019

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03 | 汇编：编程语言的诞生

2019-04-23 许式伟来自北京

《许式伟的架构课》

课程介绍

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讲述：丁伟

时长09:07大小8.38M

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你好，我是七牛云许式伟。
在上一讲中，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。
从上一讲中，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讲中，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。

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精选留言(98)

公号-技术夜未眠
2019-04-23
稳定点: 指令执行能力，数据存储能力，程序编辑能力，程序编译能力变化点:不同CPU的指令集，不同外设设备，不同的编辑器，不同程序的语法特性子系统:计算执行子系统，IO子系统，编辑子系统，编译子系统可扩展性:考虑微内核+插件的架构模式
共 1 条评论
110
LiuMei
2019-05-06
存储让数据跨越时间，（今天存储明天读取）传输让数据跨越空间，计算让数据改变形式。时空一体，那么存储和传输可能也是统一的
作者回复: 👍
共 2 条评论
67
晓凉
2019-04-24
系统要与外部世界交互，就应该有输入和输出的能力（黑洞是否只有输入没有输出）；作为人造系统，主要的交互对象是人，所以针对人类的输入输出能力就更重要，显示器和键盘就是这个角色；存储和计算能力是系统智能的核心，决定了系统如何用输入输出与外部世界交互；系统需要有演化能力，初期只能人类帮助演化（编程语言、编辑器、编译器），足够智能后才能自我演化。
作者回复: 总结很赞
64
叶建盟(James)-西...
2019-04-25
我要做一个最小机器人系统，需要考虑需求的变化点和稳定点。该怎么考虑呢？
作者回复: 挺典型的问题。这个问法是一种典型的需求陈述误区。描述需求需要有几个典型的要素：1、用户，面向什么人群；2、他们有什么要解决的问题；3、我解决这个问题的核心系统。只有满足这几个要素的需求才能进一步讨论变化点和稳定点。最小机器人可能符合上面的3，但是用户人群和要解决的问题没有描述，也就无法进一步去思考到底哪些因素是稳定的，哪些是易变的。
共 2 条评论
58
宁静致远
2019-04-25
许老师，自己现在已经工作快三年了，想往架构师这个方向走，但现在自己有些迷茫，接触到的技术也算挺多了，但不知道该如何入手架构师，之前您也提到过先广度然后深度，但我想问达到什么算广度够了，怎么进行深度学习
作者回复: 架构师核心是把知识串起来，构建一个完整的认知，不留疑惑。大部分知识是不需要深入细节的，只在你需要的时候深入，但深入的时候要很深
共 3 条评论
32
悟空聊架构
2019-04-23
自己的见解：稳定点： 1.计算能力 cpu 2.存储能力将数据写入已分配的位置 3.寻址能力从硬盘和内存中找到变量指向的位置变化点： 1.不同的I/O设备：显示器，键盘，鼠标，硬盘，内存条等 2.cpu核数：单核，2核，4核？ 3.存储空间：硬盘大小，内存大小对于变化点需要有统一的硬件层的接口规范和软件层的接口协议
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11
姜戈
2019-04-23
稳定点在于：计算能力；变化点在于各种输入输出方式（设备）
10
糖果屋
2019-04-23
1：需求稳定点：计算能力，存储能力，输入输出能力变化点：计算设备+指令集，存储设备+驱动；输入输出设备+驱动 2：子系统：计算子系统，存储操作子系统，I/O子系统计算子系统：对计算接口抽象统一，但是具体的硬件可扩展；指令集可扩展；计算的具体实现方式可扩展存储系统：对存储操作接口抽象统一，具体存储设备和驱动可扩展 I/O子系统：对I/O操作接口抽象统一，具体输入输出设备和驱动可扩展
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7
拒绝
2019-04-23
大佬，以前并没有架构方面的经验，以至于看您的文章，没有感觉了，就光看了一遍，脑子里没有引发共鸣，作为业界大佬的您，有什么好的指导与建议吗？
作者回复: 根据文章的脉络，看看能不能串起来，加深了对这个信息世界如何构建的理解，如果没有，欢迎把问题抛出来讨论
6
学习
2019-05-22
根据冯诺依曼体系原理，必然推导出计算机最基本的功能是： 1.驱动输入输出设备，达到可用达态。 2.驱动存储设备，达到可用状态。 3.编排待计算任务并保存。 4.翻译成机器码并保存。 5.调入机器码，执行计算任务。
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4
辉
2019-04-29
汇编语言是机器思维与人思维桥梁。存储让复杂任务成了可能，让机器经验像知识一样传承下去。
作者回复: 挺好的总结
4
若飞
2019-04-27
对 CPU 指令来说，函数只有地址没有名字。请问老师，这句话怎么理解??
作者回复: cpu调用函数的指令是“call 函数地址”，而不是“call 函数名”。对cpu而言，函数没有函数名，这是高级语言为了逻辑表达方便而加的
4
海盗船长
2019-04-23
首先是一台计算机，所以包括了上一讲中计算机的稳定点和变化点。2可自我迭代，代码要可编辑，代码要可以存储起来，代码要方便开发人员阅读。要完成这几点就需要设计编辑器编译器。代码的命令要和机器指令对应。
4
yason
2019-04-23
最小化的计算能力可自我迭代的计算机。首先需要明确一些概念。最小化指具备 CPU、鼠标和键盘的现代计算机，计算能力描述的是指令序列，可自我迭代:指指令序列可修改，进一步推导就是要指令序列要可存储、可编辑。现在可以进行分析了，计算能力是上节描述过的计算机天生具有的能力，那么剩余最小化和可自我迭代，要实现可存储还需要磁盘，自动存储还要有磁盘驱动程序，可编辑要有编辑器软件，要控制鼠标键盘实现输入输出要有鼠标键盘驱动，这些驱动程序和编辑器也需要进行存储，而且要存储在确定的地址，以便计算机开机就能拿到。综上描述，实际上不变的是存储、编辑器和鼠标键盘磁盘的驱动程序和这些程序存储的位置，变化的是用户输入的指令序列和位置，因为用户的输入的内容可以由计算机来指定位置自动存储。这样一个最小 MVP 可自我迭代计算机的工作大概是这样的: 用户开机，计算机自动从指定磁盘的制定位置读取编辑器、鼠标键盘等驱动，接着打开编辑器，等待用户输入内容，用户输入完成计算机就自动保存到磁盘的某个位置，并记录下这个位置，下次重启就可以从这个恢复用户的内容了。
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3
该做梦的人
2019-07-07
在我看来，根据这个需求，只需要把，冯·诺依曼体系的输入输出放大到网络读写即可。根据自我迭代的特性，首先需要一段自我迭代的程序，这段程序依靠存储和中央处理器生存。然后，任何人的成长都是从学习开始，人一生下来就在学习，那么机器也是一样的，你想要机器迭代，就必然要给机器学习的空间，而互联网，是机器学习最完美的土壤。这段自我迭代的程序，在获取到网络信息之后，对自己进行优化，升级，不断迭代。然后，在达到某个等级之后，它就可以将自己转移到互联网的任意角落，整个互联网都是它的天下。再然后，他在迭代中学到了人类所有存在网上的知识，然后通过电流操控电子设备，来制作自己需要的设备，然后用自己造的设备，去控制整个世界…… 稳定点：不死终会成神变化点：初始迭代程序效率，人们可能会由于效率直接停掉程序，关掉这台电脑
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共 1 条评论
2
Jxin
2019-06-18
小时候玩小霸王，玩的游戏都是能一天内通关的。后来出了可以保存记录的神奇宝贝。最直观的感觉就是游戏的世界变大了，花样变多了。记录功能为游戏的发展拉开了一个崭新的时代。类比计算机存储功能的出现，就很好理解这是一件多么牛逼的事情了。稳定点：存储功能加基本指令集。变化点：各种语言转义成基本指令集的编译器。
2
平湖
2019-05-09
描述需求需要有几个典型的要素：1、用户，面向什么人群；2、他们有什么要解决的问题；3、我解决这个问题的核心系统。
2
南北
2021-07-26
存储和计算互为彼此的原料，相互促进，共同演化
1
酸辣土豆丝
2021-04-17
操作系统是为了软件管理而出现的
1
KorbinSeaman
2020-04-06
一个最小化的可自我迭代的计算机，核心能力是计算，扩展能力有存储、交互、OS、连接等。所以为了满足以上需求，我会设计以下的子系统： 1. 满足核心需求的子系统有：BIOS、基础输入输出外设的驱动程序、汇编语言的编辑编译器； 2. 满足扩展性需求的子系统有：用户操作系统、扩展类输入输出设备的驱动程序、GPU 驱动程序、网卡驱动程序等。
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