03 汇编：编程语言的诞生
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。
- LiuMei 👍（79） 💬（2）
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
2019-05-06 - 晓凉 👍（67） 💬（1）
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。
2019-04-24 - 叶建盟(James)-西安交大 👍（60） 💬（2）
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？
2019-04-25 - 宁静致远 👍（32） 💬（3）
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
2019-04-25 - 拒绝 👍（7） 💬（1）
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？
2019-04-23 - 辉 👍（4） 💬（1）
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。
2019-04-29 - 若飞 👍（4） 💬（1）
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??
2019-04-27 - Geek_88604f 👍（1） 💬（1）
汇编语言如何提升编程效率:通过符合减轻了记忆的负担；通过符号解耦了逻辑程序与物理内存（系统自动分配内存，通过变量访问）；通过文本表示一段指令的集合（函数），有了基本的结构化思想，可以复用；通过符号来初步表达控制流。 本质上来讲，键盘和显示器的驱动程序、外置存储驱动、汇编程序编辑器和编译器、执行保存在外存中的代码，都是程序或指令序列。因此稳定点是指令的执行能力。 变化点:键盘和显示器的驱动程序（可能还有语音、姿态等交互方式，需求可以收敛到对端口的访问）、外置存储驱动（软盘、光盘、U盘、磁盘，需求可以收敛到对端口的访问）、汇编程序编辑器和编译器（正常的功能演进，缺陷修复都会导致版本变化，厂商会以光盘或软盘的形式发布，因此需求需要收敛到文件系统）、执行保存在外存中的代码（代码也需要通过文件来管理）。
2022-11-08 - 木木 👍（1） 💬（1）
感觉学习操作系统，编译原理等那些大头的东西，从需求的角度去学，会有更深的理解，也更容易理解。
2021-06-24 - 梦朝思夕 👍（1） 💬（1）
java并不是纯面向对象编程语言，它有着基本类型不属于对象
2019-05-14 - bigben 👍（0） 💬（1）
自我迭代的计算机是什么意思？
2022-04-01 - Aaron 👍（0） 💬（2）
每一种语言都需要经过汇编转机器指令吗？
2020-03-22 - 公号-技术夜未眠 👍（114） 💬（1）
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
2019-04-23 - 悟空聊架构 👍（11） 💬（0）
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
2019-04-23 - 姜戈 👍（10） 💬（0）
稳定点在于：计算能力；变化点在于各种输入输出方式（设备）
2019-04-23