我兼職教授大學(xué)課程，包括一個對所有專業(yè)開放的一般計算機主題的課程。這是一門入門課程，向?qū)W生講授技術(shù)是如何運作的，以消除圍繞計算的神秘感。

雖然不是計算機科學(xué)課程，但這門課的一個部分涉及計算機編程。我通常用非常抽象的術(shù)語談?wù)摼幊蹋圆粫屄牨娐牪欢５墙衲辏蚁胱屛业膶W(xué)生以 “老派” 的方式做一些需要 “動手” 的編程。同時，我又想保持簡單，以便讓每個人都能跟上。

我喜歡將我的課程結(jié)構(gòu)化，以顯示你是如何從 “那里” 到 “這里” 的。理想情況下，我會讓我的學(xué)生學(xué)習(xí)如何編寫一個簡單的程序。然后，我將從這里開始，展示現(xiàn)代編程是如何讓開發(fā)人員創(chuàng)建更復(fù)雜的程序的。我決定嘗試一種非常規(guī)的方法 —— 教學(xué)生學(xué)習(xí)終極的低級別編程語言：機器語言。

機器語言編程

早期的個人電腦如 Apple II（1977 年）、TRS-80（1977 年）和 IBM PC（1981 年）讓用戶用鍵盤輸入程序，并在屏幕上顯示結(jié)果。但計算機并不總是帶有屏幕和鍵盤。

Altair 8800 和 IMSAI 8080（均為 1975 年制造）要求用戶使用面板上的 “開關(guān)和燈” 輸入程序。你可以用機器語言輸入指令，使用一組開關(guān)，機器會點亮 LED 燈以代表每個二進制指令的 1 和 0。

Altair 8800 計算機的圖片

對這些早期機器進行編程，需要了解被稱為 “操作碼opcode” （操作代碼的簡稱）的機器語言指令，以執(zhí)行基本操作，如將兩個數(shù)字相加或?qū)⒁粋€值存儲到計算機的存儲器中。我想向我的學(xué)生展示程序員是如何通過開關(guān)和燈，手工輸入一系列指令和內(nèi)存地址的。

然而，在這門課上，使用實際的 Altair 8800 就有點太復(fù)雜了。我需要一些簡單的、任何初級水平的學(xué)生都能掌握的東西。理想情況下，我希望能找到一個簡單的 “業(yè)余” 復(fù)古計算機，其工作原理與 Altair 8800 相似，但我無法找到一個價格低于 100 美元的合適的 “類似 Altair” 的設(shè)備。我找到了幾個 “Altair” 軟件模擬器，但它們忠實地再現(xiàn)了 Altair 8800 的操作碼，這對我的需求來說太過沉重。

我決定編寫我自己的 “教育” 復(fù)古計算機。我稱它為 “Toy CPU”。你可以在我的 ??GitHub 代碼庫?? 上找到它，包括幾個可以運行的版本。第一版是一個實驗性的原型，運行在 ??FreeDOS?? 上。第二版是一個更新的原型，在 Linux 上用 ??ncurses?? 運行。版本 3 是一個 FreeDOS 程序，在圖形模式下運行。

Toy CPU 的編程

Toy CPU 是一個非常簡單的復(fù)古計算機。它只有 256 字節(jié)的內(nèi)存和一個最小化的指令集，其目的是在復(fù)制 “開關(guān)和燈” 編程模式的同時保持簡單化。它的界面模仿 Altair 8800，有一系列 8 個 LED 燈，分別代表計數(shù)器（程序的 “行號”）、指令、累積器（用于臨時數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲器）和狀態(tài)。

當(dāng)你啟動 Toy CPU 時，它通過清除內(nèi)存來模擬 “啟動”。當(dāng)它啟動時，它也會在屏幕右下方的狀態(tài)燈中顯示 “INI”（初始化）。“PWR”（電源）燈亮表示 Toy CPU 已被打開。

Toy CPU 的啟動屏幕

當(dāng) Toy CPU 準備好讓你進入一個程序時，它通過狀態(tài)燈指示 “INP”（“輸入”模式），并讓你從程序的計數(shù)器 0 開始。Toy CPU 的程序總是從計數(shù)器 0 開始。

在 “輸入” 模式下，用上下方向鍵顯示不同的程序計數(shù)器，按回車鍵編輯當(dāng)前計數(shù)器上的指令。當(dāng)你進入 “編輯” 模式時，Toy CPU 的狀態(tài)燈上會顯示 “EDT”（“編輯” 模式）。

Toy CPU 編輯屏幕

Toy CPU 有一張速查表，被 “貼” 在顯示屏的前面。它列出了 Toy CPU 可以處理的不同操作碼。

• ??00000000??（??STOP??）：停止程序執(zhí)行。
• ??00000001??（??RIGHT??）：將累加器中的位向右移動一個位置。值??00000010?? 變成??00000001??，??00000001?? 變成??00000000??。
• ??00000010??（??LEFT??）：將累加器中的位向左移動一個位置。值??01000000?? 變成??10000000??，??10000000?? 變成??00000000??。
• ??00001111??（??NOT??）：對累加器進行二進制非操作。例如，值??10001000?? 變成??01110111??。
• ??00010001??（??AND??）：對累加器用存儲在某一地址的值進行二進制與操作。該地址被存儲在下一個計數(shù)器中。
• ??00010010??（??OR??）：對累積器用存儲在某一地址的值進行二進制或運算。
• ??00010011??（??XOR??）：對累加器用存儲在某一地址的值進行二進制異或運算。
• ??00010100??（??LOAD??）：將一個地址的值加載（復(fù)制）到累加器中。
• ??00010101??（??STORE??）： 存儲（復(fù)制）累加器中的值到一個地址。
• ??00010110??（??ADD??）：將存儲在某一地址的數(shù)值加入到累加器中。
• ??00010111??（??SUB??）：從累積器中減去儲存在某一地址的數(shù)值。
• ??00011000??（??GOTO??）：轉(zhuǎn)到（跳到）一個計數(shù)器地址。
• ??00011001??（??IFZERO??）：如果累加器為零，轉(zhuǎn)到（跳到）一個計數(shù)器地址。
• ??10000000??（??NOP??）：空操作，可以安全地忽略。

當(dāng)處于 “編輯” 模式時，使用左右方向鍵選擇操作碼中的一個位，然后按空格鍵在關(guān)閉（0）和開啟（1）之間翻轉(zhuǎn)數(shù)值。當(dāng)你完成編輯后，按回車鍵回到 “輸入” 模式。

Toy CPU 輸入模式屏幕

一個示例程序

我想通過輸入一個簡短的程序來探索 Toy CPU，將兩個數(shù)值相加，并將結(jié)果存儲在 Toy CPU 的內(nèi)存中。實際上，這執(zhí)行的是算術(shù)運算 ??A+B=C??。要創(chuàng)建這個程序，你只需要幾個操作碼：

• ??00010100??（??LOAD??）
• ??00010110??（??ADD??）
• ??00010101??（??STORE??）
• ??00000000??（??STOP??）

??LOAD??、??ADD?? 和 ??STORE?? 指令需要一個內(nèi)存地址，這個地址總是在下一個計數(shù)器的位置。例如，程序的前兩條指令是:

    計數(shù)器 0：00010100
    計數(shù)器 1：某個內(nèi)存地址，第一個值 A 存放在那里

計數(shù)器 0 中的指令是 ??LOAD?? 操作，計數(shù)器 1 中的值是你存儲某個值的內(nèi)存地址。這兩條指令一起將內(nèi)存中的數(shù)值復(fù)制到 Toy CPU 的累加器中，在那里你可以對該數(shù)值進行操作。

將一個數(shù)字 ??A?? 裝入累加器后，你需要將數(shù)值 ??B?? 加到它上面。你可以用這兩條指令來做：

    計數(shù)器 2：00010110
    計數(shù)器 3：存儲第二個值 B 的內(nèi)存地址

假設(shè)你把值 ??1??（??A??）裝入累加器，然后把值 ??3??（??B??）加到它上面。現(xiàn)在累加器的值是 ??4??。現(xiàn)在你需要用這兩條指令把數(shù)值 ??4?? 復(fù)制到另一個內(nèi)存地址（??C??）：

    計數(shù)器 4：00010101
    計數(shù)器 5：一個內(nèi)存地址（C），我們可以在那里保存新的值

把這兩個值加在一起后，現(xiàn)在可以用這條指令結(jié)束程序：

計數(shù)器 6: 00000000

計數(shù)器 6 之后的任何指令都可以供程序作為存儲內(nèi)存使用。這意味著你可以用計數(shù)器 7 的內(nèi)存來儲存值 ??A??，計數(shù)器 8 的內(nèi)存來儲存值 ??B?? ，計數(shù)器 9 的內(nèi)存來儲存值 ??C??。你需要將這些分別輸入到 Toy CPU 中：

    計數(shù)器 7：00000001（1）
    計數(shù)器 8：00000011（3）
    計數(shù)器 9：00000000（0，以后會被覆蓋）

在弄清了所有指令和 ??A??、??B?? 和 ??C?? 的內(nèi)存位置后，現(xiàn)在可以將完整的程序輸入到 Toy CPU 中。這個程序?qū)?shù)值 1 和 3 相加，得到 4：

    計數(shù)器 0：00010100
    計數(shù)器 1：00000111（7）
    計數(shù)器 2：00010110
    計數(shù)器 3：00001000（8）
    計數(shù)器 4：00010101
    計數(shù)器 5：00001001（9）
    計數(shù)器 6：00000000
    計數(shù)器 7：00000001（1）
    計數(shù)器 8：00000011（3）
    計數(shù)器 9：00000000（0，以后會被覆蓋）

要運行程序，在 “輸入” 模式下按下 ??R?? 鍵。Toy CPU 將在狀態(tài)燈中顯示 “RUN”（“運行” 模式），并從計數(shù)器 0 開始執(zhí)行你的程序。

Toy CPU 有一個明顯的延遲，所以你可以看到它執(zhí)行程序中的每一步。隨著程序的進行，你應(yīng)該看到計數(shù)器從 ??00000000??（0）移動到 ??00000110??（6）。在計數(shù)器 1 之后，程序從內(nèi)存位置 7 加載數(shù)值 ??1??，累積器更新為 ??00000001??（1）。在計數(shù)器 3 之后，程序?qū)⒓訑?shù)值 ??3??，并更新累加器顯示 ??00000100??（4）。累加器將保持這種狀態(tài)，直到程序在計數(shù)器 5 之后將數(shù)值存入內(nèi)存位置 9，然后在計數(shù)器 6 結(jié)束。

在運行模式下的 Toy CPU

探索機器語言編程

你可以使用 Toy CPU 來創(chuàng)建其他程序，并進一步探索機器語言編程。通過用機器語言編寫這些程序來測試你的創(chuàng)造力。

一個在累積器上閃燈的程序

你能點亮累加器上的右四位，然后是左四位，然后是所有的位嗎？你可以用兩種方法之一來寫這個程序。

一種直接的方法是，從不同的內(nèi)存地址加載三個數(shù)值，像這樣：

    計數(shù)器 0：LOAD
    計數(shù)器 1：“右邊”
    計數(shù)器 2：LOAD
    計數(shù)器 3：“左邊”
    計數(shù)器 4：LOAD
    計數(shù)器 5：“所有”
    計數(shù)器 6：STOP
    計數(shù)器 7：00001111（“右邊”）
    計數(shù)器 8：11110000（“左邊”）
    計數(shù)器 9：11111111（“全部”）

寫這個程序的另一種方法是嘗試使用 ??NOT??? 和 ??OR?? 二進制操作。這樣可以得到一個更小的程序：

    計數(shù)器 0：LOAD
    計數(shù)器 1：“右邊”
    計數(shù)器 2：NOT
    計數(shù)器 3：OR
    計數(shù)器 4：“右邊”
    計數(shù)器 5：STOP
    計數(shù)器 6：00001111（“右邊”）

從一個數(shù)字開始倒數(shù)

你可以把 Toy CPU 作為一個倒數(shù)計時器。這個程序行使 ??IFZERO?? 測試，只有當(dāng)累加器為零時，程序才會跳轉(zhuǎn)到一個新的計數(shù)器：

    計數(shù)器 0：LOAD
    計數(shù)器 1：“初始值”
    計數(shù)器 2：IFZERO（這也是倒計時的“開始”）
    計數(shù)器 3：“結(jié)束”
    計數(shù)器 4：SUB
    計數(shù)器 5：“1”
    計數(shù)器 6：GOTO
    計數(shù)器 7：“開始”
    計數(shù)器 8：STOP
    計數(shù)器 9：00000111（“初始值”）
    計數(shù)器 10：00000001（“1”）

Toy CPU 是學(xué)習(xí)機器語言的一個好方法。我在入門課程中使用了 Toy CPU，學(xué)生們說他們發(fā)現(xiàn)寫第一個程序很困難，但寫下一個程序就容易多了。學(xué)生們還表示，用這種方式編寫程序其實很有趣，他們學(xué)到了很多關(guān)于計算機實際工作的知識。Toy CPU 既具有教育性，也很有趣味性！