用復(fù)古電腦程序 Toy CPU 學(xué)習(xí)低級(jí)編程
我兼職教授大學(xué)課程，包括一個(gè)對(duì)所有專業(yè)開(kāi)放的一般計(jì)算機(jī)主題的課程。這是一門(mén)入門(mén)課程，向?qū)W生講授技術(shù)是如何運(yùn)作的，以消除圍繞計(jì)算的神秘感。
雖然不是計(jì)算機(jī)科學(xué)課程，但這門(mén)課的一個(gè)部分涉及計(jì)算機(jī)編程。我通常用非常抽象的術(shù)語(yǔ)談?wù)摼幊?，所以不?huì)讓聽(tīng)眾聽(tīng)不懂。但是今年，我想讓我的學(xué)生以 “老派” 的方式做一些需要 “動(dòng)手” 的編程。同時(shí)，我又想保持簡(jiǎn)單，以便讓每個(gè)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(huì)讓我的學(xué)生學(xué)習(xí)如何編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的程序。然后，我將從這里開(kāi)始，展示現(xiàn)代編程是如何讓開(kāi)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(jí)別編程語(yǔ)言：機(jī)器語(yǔ)言。
機(jī)器語(yǔ)言編程
早期的個(gè)人電腦如 Apple II（1977 年）、TRS-80（1977 年）和 IBM PC（1981 年）讓用戶用鍵盤(pán)輸入程序，并在屏幕上顯示結(jié)果。但計(jì)算機(jī)并不總是帶有屏幕和鍵盤(pán)。
Altair 8800 和 IMSAI 8080（均為 1975 年制造）要求用戶使用面板上的 “開(kāi)關(guān)和燈” 輸入程序。你可以用機(jī)器語(yǔ)言輸入指令，使用一組開(kāi)關(guān)，機(jī)器會(huì)點(diǎn)亮 LED 燈以代表每個(gè)二進(jìn)制指令的 1 和 0。
Altair 8800 計(jì)算機(jī)的圖片
對(duì)這些早期機(jī)器進(jìn)行編程，需要了解被稱為 “操作碼opcode” （操作代碼的簡(jiǎn)稱）的機(jī)器語(yǔ)言指令，以執(zhí)行基本操作，如將兩個(gè)數(shù)字相加或?qū)⒁粋€(gè)值存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。我想向我的學(xué)生展示程序員是如何通過(guò)開(kāi)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(mén)課上，使用實(shí)際的 Altair 8800 就有點(diǎn)太復(fù)雜了。我需要一些簡(jiǎn)單的、任何初級(jí)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(gè)簡(jiǎn)單的 “業(yè)余” 復(fù)古計(jì)算機(jī)，其工作原理與 Altair 8800 相似，但我無(wú)法找到一個(gè)價(jià)格低于 100 美元的合適的 “類似 Altair” 的設(shè)備。我找到了幾個(gè) “Altair” 軟件模擬器，但它們忠實(shí)地再現(xiàn)了 Altair 8800 的操作碼，這對(duì)我的需求來(lái)說(shuō)太過(guò)沉重。
我決定編寫(xiě)我自己的 “教育” 復(fù)古計(jì)算機(jī)。我稱它為 “Toy CPU”。你可以在我的 ??GitHub 代碼庫(kù)?? 上找到它，包括幾個(gè)可以運(yùn)行的版本。第一版是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的原型，運(yùn)行在 ??FreeDOS?? 上。第二版是一個(gè)更新的原型，在 Linux 上用 ??ncurses?? 運(yùn)行。版本 3 是一個(gè) FreeDOS 程序，在圖形模式下運(yùn)行。
Toy CPU 的編程
Toy CPU 是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的復(fù)古計(jì)算機(jī)。它只有 256 字節(jié)的內(nèi)存和一個(gè)最小化的指令集，其目的是在復(fù)制 “開(kāi)關(guān)和燈” 編程模式的同時(shí)保持簡(jiǎn)單化。它的界面模仿 Altair 8800，有一系列 8 個(gè) LED 燈，分別代表計(jì)數(shù)器（程序的 “行號(hào)”）、指令、累積器（用于臨時(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)器）和狀態(tài)。
當(dāng)你啟動(dòng) Toy CPU 時(shí)，它通過(guò)清除內(nèi)存來(lái)模擬 “啟動(dòng)”。當(dāng)它啟動(dòng)時(shí)，它也會(huì)在屏幕右下方的狀態(tài)燈中顯示 “INI”（初始化）?！癙WR”（電源）燈亮表示 Toy CPU 已被打開(kāi)。
Toy CPU 的啟動(dòng)屏幕
當(dāng) Toy CPU 準(zhǔn)備好讓你進(jìn)入一個(gè)程序時(shí)，它通過(guò)狀態(tài)燈指示 “INP”（“輸入”模式），并讓你從程序的計(jì)數(shù)器 0 開(kāi)始。Toy CPU 的程序總是從計(jì)數(shù)器 0 開(kāi)始。
在 “輸入” 模式下，用上下方向鍵顯示不同的程序計(jì)數(shù)器，按回車(chē)鍵編輯當(dāng)前計(jì)數(shù)器上的指令。當(dāng)你進(jìn)入 “編輯” 模式時(shí)，Toy CPU 的狀態(tài)燈上會(huì)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(dòng)一個(gè)位置。值??00000010?? 變成??00000001??，??00000001?? 變成??00000000??。 - ?
?00000010??（??LEFT??）：將累加器中的位向左移動(dòng)一個(gè)位置。值??01000000?? 變成??10000000??，??10000000?? 變成??00000000??。 - ?
?00001111??（??NOT??）：對(duì)累加器進(jìn)行二進(jìn)制非操作。例如，值??10001000?? 變成??01110111??。 - ?
?00010001??（??AND??）：對(duì)累加器用存儲(chǔ)在某一地址的值進(jìn)行二進(jìn)制與操作。該地址被存儲(chǔ)在下一個(gè)計(jì)數(shù)器中。 - ?
?00010010??（??OR??）：對(duì)累積器用存儲(chǔ)在某一地址的值進(jìn)行二進(jìn)制或運(yùn)算。 - ?
?00010011??（??XOR??）：對(duì)累加器用存儲(chǔ)在某一地址的值進(jìn)行二進(jìn)制異或運(yùn)算。 - ?
?00010100??（??LOAD??）：將一個(gè)地址的值加載（復(fù)制）到累加器中。 - ?
?00010101??（??STORE??）： 存儲(chǔ)（復(fù)制）累加器中的值到一個(gè)地址。 - ?
?00010110??（??ADD??）：將存儲(chǔ)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(chǔ)存在某一地址的數(shù)值。 - ?
?00011000??（??GOTO??）：轉(zhuǎn)到（跳到）一個(gè)計(jì)數(shù)器地址。 - ?
?00011001??（??IFZERO??）：如果累加器為零，轉(zhuǎn)到（跳到）一個(gè)計(jì)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(shí)，使用左右方向鍵選擇操作碼中的一個(gè)位，然后按空格鍵在關(guān)閉（0）和開(kāi)啟（1）之間翻轉(zhuǎn)數(shù)值。當(dāng)你完成編輯后，按回車(chē)鍵回到 “輸入” 模式。
Toy CPU 輸入模式屏幕
一個(gè)示例程序
我想通過(guò)輸入一個(gè)簡(jiǎn)短的程序來(lái)探索 Toy CPU，將兩個(gè)數(shù)值相加，并將結(jié)果存儲(chǔ)在 Toy CPU 的內(nèi)存中。實(shí)際上，這執(zhí)行的是算術(shù)運(yùn)算 ??A+B=C??。要?jiǎng)?chuàng)建這個(gè)程序，你只需要幾個(gè)操作碼：
- ?
?00010100??（??LOAD??） - ?
?00010110??（??ADD??） - ?
?00010101??（??STORE??） - ?
?00000000??（??STOP??）
??LOAD??、??ADD?? 和 ??STORE?? 指令需要一個(gè)內(nèi)存地址，這個(gè)地址總是在下一個(gè)計(jì)數(shù)器的位置。例如，程序的前兩條指令是:
計(jì)數(shù)器 0 中的指令是 ??LOAD?? 操作，計(jì)數(shù)器 1 中的值是你存儲(chǔ)某個(gè)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(duì)該數(shù)值進(jìn)行操作。
將一個(gè)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(lái)做：
假設(shè)你把值 ??1??（??A??）裝入累加器，然后把值 ??3??（??B??）加到它上面?，F(xiàn)在累加器的值是 ??4???，F(xiàn)在你需要用這兩條指令把數(shù)值 ??4?? 復(fù)制到另一個(gè)內(nèi)存地址（??C??）：
把這兩個(gè)值加在一起后，現(xiàn)在可以用這條指令結(jié)束程序：
計(jì)數(shù)器 6 之后的任何指令都可以供程序作為存儲(chǔ)內(nèi)存使用。這意味著你可以用計(jì)數(shù)器 7 的內(nèi)存來(lái)儲(chǔ)存值 ??A??，計(jì)數(shù)器 8 的內(nèi)存來(lái)儲(chǔ)存值 ??B?? ，計(jì)數(shù)器 9 的內(nèi)存來(lái)儲(chǔ)存值 ??C??。你需要將這些分別輸入到 Toy CPU 中：
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(gè)程序?qū)?shù)值 1 和 3 相加，得到 4：
要運(yùn)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(yùn)行” 模式），并從計(jì)數(shù)器 0 開(kāi)始執(zhí)行你的程序。
Toy CPU 有一個(gè)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(jìn)行，你應(yīng)該看到計(jì)數(shù)器從 ??00000000??（0）移動(dòng)到 ??00000110??（6）。在計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)器 5 之后將數(shù)值存入內(nèi)存位置 9，然后在計(jì)數(shù)器 6 結(jié)束。
在運(yùn)行模式下的 Toy CPU
探索機(jī)器語(yǔ)言編程
你可以使用 Toy CPU 來(lái)創(chuàng)建其他程序，并進(jìn)一步探索機(jī)器語(yǔ)言編程。通過(guò)用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)這些程序來(lái)測(cè)試你的創(chuàng)造力。
一個(gè)在累積器上閃燈的程序
你能點(diǎn)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(lái)寫(xiě)這個(gè)程序。
一種直接的方法是，從不同的內(nèi)存地址加載三個(gè)數(shù)值，像這樣：
寫(xiě)這個(gè)程序的另一種方法是嘗試使用 ??NOT??? 和 ??OR?? 二進(jìn)制操作。這樣可以得到一個(gè)更小的程序：
從一個(gè)數(shù)字開(kāi)始倒數(shù)
你可以把 Toy CPU 作為一個(gè)倒數(shù)計(jì)時(shí)器。這個(gè)程序行使 ??IFZERO?? 測(cè)試，只有當(dāng)累加器為零時(shí)，程序才會(huì)跳轉(zhuǎn)到一個(gè)新的計(jì)數(shù)器：
Toy CPU 是學(xué)習(xí)機(jī)器語(yǔ)言的一個(gè)好方法。我在入門(mén)課程中使用了 Toy CPU，學(xué)生們說(shuō)他們發(fā)現(xiàn)寫(xiě)第一個(gè)程序很困難，但寫(xiě)下一個(gè)程序就容易多了。學(xué)生們還表示，用這種方式編寫(xiě)程序其實(shí)很有趣，他們學(xué)到了很多關(guān)于計(jì)算機(jī)實(shí)際工作的知識(shí)。Toy CPU 既具有教育性，也很有趣味性！
