nand2teris_lecture04

Nand2teris04 机器语言

机器语言概要：

机器语言分为两种，汇编语言和二进制语言

机器语言主要操控着三个底层硬件：处理器cpu，内存memory和寄存器register

机器语言利用处理器和寄存器来操控内存

处理器，内存和寄存器的简单介绍：

• 内存：储存数据和指令的硬件设备，数据和指令均为二进制数。
• 处理器：对数据和指令进行一些操作，比如从内存或寄存器中存入或取出数据或指令，将数据进行算术操作，指令进行逻辑操作。
• 寄存器：临时存放一些数据或指令，方便处理器计算

两种机器语言

• 二进制语言：在16位计算机上，左边4位代表着cpu的操作编码，后面的12位标识此次操作的操作数。
• 汇编语言：由于二进制语言晦涩难懂，采用助记符的形式代表二进制语言。助记符可以表示底层硬件和二进制操作。例如1010001100011001这串二进制代码中，前面4位操作编码1010可用add助记符表示，后面12位可用R0~R15助记符来表示，整串代码可表示为Add R3,R1,R9

不同的计算机，其汇编语法也各不相同，下面介绍通用的语法。

寻址方式

• 直接寻址：直接表示一个指定内存单元的地址，这在A寄存器中很常用

例：LOAD R1,67 // R1 🡨 Memory [67]

• 立即寻址：将常数加载到寄存器中，而不是作为内存单元的地址，这在D寄存器中很常用

例：LOAD R1,67 // R1 🡨 67

• 间接寻址：不直接的表示一个指定内存单元的地址

例：ADD x,6,7 // x = 6+7

LOAD R1,x // R1 🡨 Memory [x]

控制流程

命令之间通过控制流程来跳转。控制流程包括循环，条件语句，无条件跳转和子程序调用

Hack机器语言概述

• Hack机器语言（汇编语言和二进制语言）能通过指令轻易的操控Hack机器中的两个寄存器 D寄存器A寄存器

D寄存器存储数据值，A寄存器存储数据值，数据值和指令值的地址

• Hack机器语言的指令有两种操控方式：算术指令和逻辑指令

在算术指令中，CPU会将计算的返回结果返回到D寄存器暂存，

例如：D = Memory [516] -1 CPU从内存地址为516的内存单元（这里假设为数据内存）中取值，将计算结果存储到D寄存器。这条算术指令也可以表示为D = M -1，这里M表示的也是内存单元的值

• • 算术指令详解：

算术指令前后可分为三个部分

1. 计算什么
2. 将计算后的值存储到什么地方
3. 下一步做什么
   • • 计算什么

算术指令（以下简称C指令）的comp域是规定要计算的内容。Comp域通过128个函数指明了ALU该如何计算，计算什么。

例如：1110 0011 1000 0000 表示让ALU进行D-1的操作，即D寄存器当前值减1.

（当a=1）

Comp助记符

• • • 将计算后的值存储到什么地方

C指令的dest域决定着计算结果所要保存的目的地，

d1决定着是否将计算结果存入A寄存器（存入地址），d2决定着是否将计算结果存入到D寄存器（存入数值），d3决定着是否将计算结果存入到M内存单元。

例如：0000 0000 0000 0111 //@7

1111 1101 1101 1000 //M,D = M+1

表示的就是将A寄存器的值，设为7，然后将内存单元memory[7]的值加1，存入内存单元和D寄存器

• • • 下一步做什么

C指令的jump域告诉计算机下一步将执行什么命令。Jump域的三个位：

J1规定：当ALU输出值小于0，发生跳转

J2规定：当ALU输出值等于0，发生跳转

J3规定：当ALU输出值大于0，发生跳转

所以当C指令的comp域执行完成后，将执行结果保存到dest域，执行结果的大小与jump域的条件结合，决定当前指令需不需要跳转到下一条指令。下一条指令的地址由A寄存器保留。

Hack机器语言

二进制语言

汇编语言

逻辑指令

算术指令

数据内存

指令内存

• • 逻辑指令详解

在逻辑指令中，cpu会按照A寄存器中存储的值（地址值），从指令内存中取值，执行一系列例如jump跳转，while循环的逻辑操作，从一条指令跳转到另一条指令，指令的地址由A寄存器保存。

A寄存器中的值通过A指令设置。

（图为A指令介绍）

例如@5，将5的二进制形式存储到A寄存器中。表示Memory[5]，

汇编符号

汇编语言中除了汇编指令，另一板块就是汇编符号，下面介绍三种汇编符号

• 预定义符号：

虚拟寄存器：R0~R15用来代表0到15号RAM地址

预定义指针：SP、LCL、ARG、THIS、THAT也被用来代表0到4号RAM地址

I/O指针：SCREEN和KBD被用来表示RAM地址16384（0x4000）和24576（0x600），这两个地址也分别表示屏幕和键盘内存地址

• 标签符号：

用户自定义的符号，由伪命令“（xxx）”来声明，符号只能被自定义一次。用来标记goto命令跳转的地址。Xxx的RAM地址代表着下一条指令的地址，这在后面的汇编编译器章节有说明。自定义的符号可以在汇编程序中的任何地方使用。

(由于伪指令xxx经过汇编器翻译后不会产生任何二进制代码，所以称为伪指令)

• 变量符号：

在汇编程序中任何用户定义的符号xxx，如果它不是预定义符号，也不是使用“（xxx）”的标签符号，那么就被看作是变量，并被汇编程序赋予独立的内存地址，从RAM地址16，即0x0010开始。

关于汇编语言和二进制语言的联系

• 汇编语言文件以.asm命名，二进制语言文件以.jack命名。
• 汇编语言文件由文本行组成，每一行代表着一条指令或者一个符号定义；二进制语言文件也由文本行组成，第n行二进制码被存储到指令内存RAM的地址为n的单元（RAM[n]）

一些补充声明：

• 常数(constants)和符号( symbols)：常数必须是非负的而且总是用十进制表示。用户自定义的符号可以是任何字母、数字、下划线(_ )、点(.)、美元符号($)、 冒号(:)构成的字符串，但它不能以数字开头。
• 注释以双斜线 (//) 开头，并到本行结束符之前(不换行)的文本被认为是注释,不被程序执行。
• 空格空格字符及空行也被程序忽略。
• 大小写：所有的汇编助记符必须大写。其他的比如用户自定义标签(label) 和变量名

则要区分大小写。一般是标签大写，变量名小写。