Machine Language

Week 4 notes

• Univeraslity: 相同的硬件运行不同的软件 Turing + von Neumann
• 计算机通过机器语言（二进制指令）来实现软件层面上的不同功能
• 机器语言提供的的三个信息：
  • Operations：指令需要计算机做什么
  • Counter：指令以及下一步指令是什么
  • Addressing：指令需要操作哪些硬件

• 计算机只能识别机器语言
• 人类需要通过编译器将人类友好的语言转化为机器语言

为了更方便的讨论机器语言，人们通常将指定的代码段与相应的含义（Mnemonic Form）对应起来。下面的例子中，ADD 就是 0100010 对应的 Mnemonic Form。可以观察到的是，这种替代不仅可以代表 operation，也可以代表地址。

需要注意的是：

• 类似 ADD 这样的形式不是真正存在的
• 人类通过汇编语言（assembly language）来讲上述形式转化为机器语言

Symbols 主要应用于简化内存寻址的过程。比如维护一个 index，将指定的内存区域分为不同的片区，当需要对指定区域进行操作时，我们可以通过对应的 index 对其进行快速访问。这种将 symbol 与实际内存地址建立映射关系的方式，会大大增强程序的易读性和可维护性。该映射关系也是由 assmbler 来翻译的。

• 机器语言是硬件与软件的 Interface，其决定了硬件可以进行什么样的操作
• 硬件与软件层面的操作通常接近，但不一定一一对应
• 机器语言的复杂程度取决于设计。通常，设计的操作越复杂，硬件层面的实现花费就越高。

• 算术运算：add / sub
• 逻辑运算：and / or
• 流程控制（flow control）

不同的机器语言之间的实现可能并不相同，取决于其复杂度。

内存寻址是一项非常昂贵的操作。通常来说，有两个问题：

• 内存越大，需要提供的地址就越长
• 内存越大，访问指定内存的时间就越长

解决方案是提供内存的级联：将内存按速度进行划分，不同速度的内存区域对应不同的任务。需要注意的是，速度越快，对应的内存就越小。

寄存器是访问速度最快的内存，通常由 CPU 内置。寄存器分为几个类型：

• Data Registers：比如 add r1 r2，r1 和 r2 就是该加法操作中，对应数据所在的寄存器名称。
• Address Registers：类似于指针，作为某一片我们需要使用的内存区域的入口

# Register mode R2 <- R2 + R1
Add R1, R2
# Direct mode Mem[200] <- Mem[200] + R1
Add R1, M[200]
# Indirect Mem[A] <- Mem[A] + R1
Add R1, @A
# Immediate R1 <- R1 + 73
Add 73, R1

外设（键盘鼠标）通常通过寄存器链接，并通过一定的协议（驱动）来使其工作。

• 通常按顺序执行
• 某些情况需要进行无条件跳转（unconditional jump），比如 loop
  • 通常使用寄存器来存储每次迭代的结果
  • loop 的起始点通常会使用一个名字与其地址相关联，方便跳转（比如 loop 关联到 102，则使用 Jump loop 等同于 jump 102）
• 某些情况下需要进行带条件跳转 (condtional jump)