1.2.4 程序設(shè)計語言

利用計算機(jī)解決實(shí)際問題，一般要編寫程序。程序設(shè)計語言就是程序員用來編寫程序的語言，它是人與計算機(jī)之間交流的工具。程序設(shè)計語言可以分為機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三種。

1.機(jī)器語言

計算機(jī)能夠直接識別由二進(jìn)制數(shù)0和1組成的代碼。機(jī)器指令（Instruction）就是用二進(jìn)制編碼的指令，指令是控制計算機(jī)操作的命令，是處理器不需要翻譯就能識別（直接執(zhí)行）的“母語”，通常一條機(jī)器指令控制計算機(jī)完成一個操作。每種處理器都有各自的機(jī)器指令，某處理器支持的所有指令的集合就是該處理器的指令集（Instruction Set）或指令系統(tǒng)。指令集及使用它們編寫程序的規(guī)則稱為機(jī)器語言（Machine Language）。

用機(jī)器語言編寫的程序是計算機(jī)唯一能夠直接識別和執(zhí)行的程序，而用其他語言編寫的程序必須翻譯、變換成機(jī)器語言程序，所以，機(jī)器語言程序常稱為目標(biāo)程序（或目的程序）。

例如，完成兩個數(shù)據(jù)100和256相加的功能，在IA-32處理器的代碼序列如下：

幾乎沒有人能夠直接讀懂該程序段的功能，因為機(jī)器語言就是看起來毫無意義的一串代碼。用機(jī)器語言編寫程序的最大缺點(diǎn)是難以理解，因而極易出錯，也難以發(fā)現(xiàn)錯誤。所以，只在計算機(jī)發(fā)展的早期或不得已的情況下才用機(jī)器語言編寫程序。現(xiàn)在，除了有時在程序某處需要直接采用機(jī)器指令填充外，幾乎沒有人采用機(jī)器語言編寫程序了。

2.匯編語言

為了克服機(jī)器語言的缺點(diǎn)，人們采用便于記憶并能描述指令功能的符號來表示機(jī)器指令。表示指令功能的符號稱為指令助記符，簡稱助記符。助記符一般是表明指令功能的英語單詞或其縮寫。指令操作數(shù)同樣也可以用易于記憶的符號表示。用助記符表示的指令就是匯編格式指令。匯編格式指令以及使用它們編寫程序的規(guī)則就形成匯編語言（Assembly Language）。用匯編語言書寫的程序就是匯編語言程序，或稱匯編語言源程序。

例如，實(shí)現(xiàn)100與256相加的MASM匯編語言程序片段如下：

第一條指令的功能將數(shù)據(jù)100傳送給名為EAX的寄存器，MOV是傳送指令的助記符，它對應(yīng)的機(jī)器代碼就是上述機(jī)器語言例子中的第一個二進(jìn)制串（用十六進(jìn)制表示為B8 64 00 00 00）。

第二條指令實(shí)現(xiàn)加法操作，ADD是加法指令的助記符，它對應(yīng)上述機(jī)器語言例子中的第二個二進(jìn)制串（用十六進(jìn)制表示為05 00 01 00 00）。

因此，我們熟悉了有關(guān)助記符及對應(yīng)指令的功能，就可以讀懂上述程序片段。

匯編語言是一種符號語言，它用助記符表示操作碼，比機(jī)器語言容易理解和掌握，也容易調(diào)試和維護(hù)。但是，匯編語言源程序要翻譯成機(jī)器語言程序才可以由處理器執(zhí)行，這個翻譯的過程稱為“匯編”，完成匯編工作的程序就是匯編程序（Assembler）。

3.高級語言

匯編語言雖然較機(jī)器語言直觀一些，但仍然煩瑣難記。于是在20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了高級程序設(shè)計語言。高級語言比較接近人類自然語言的語法習(xí)慣及數(shù)學(xué)表達(dá)形式，它與具體的計算機(jī)硬件無關(guān)，更容易被廣大計算機(jī)工作者掌握和使用。利用高級語言，即使一般的計算機(jī)用戶也可以編寫軟件，而不必懂得計算機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

目前，計算機(jī)高級語言已有上百種，得到廣泛應(yīng)用的有十幾種，每種高級語言都有其最適用的領(lǐng)域。用任何一種高級語言編寫的程序都要通過編譯程序（Compiler）翻譯成機(jī)器語言程序（稱為目標(biāo)程序）后計算機(jī)才能執(zhí)行，或者通過解釋程序邊解釋邊執(zhí)行。

例如，用高級語言表達(dá)100與256相加，就可以使用數(shù)學(xué)表達(dá)形式：100+256。

4.學(xué)習(xí)匯編語言程序設(shè)計的意義

高級語言簡單、易學(xué)，而匯編語言復(fù)雜、難懂，是否就沒有必要再使用匯編語言了呢？下面我們首先比較匯編語言和高級語言的特點(diǎn)。

● 匯編語言與處理器密切相關(guān)。每種處理器都有自己的指令系統(tǒng)，相應(yīng)的匯編語言各不相同。所以，匯編語言程序的通用性、可移植性較差。相對來說，高級語言與具體的計算機(jī)無關(guān)，高級語言程序可以在多種計算機(jī)上編譯后執(zhí)行。

● 匯編語言功能有限，又涉及寄存器、主存單元等硬件細(xì)節(jié)，所以使用匯編語言編寫程序比較煩瑣，匯編程序調(diào)試起來也比較困難。高級語言提供了強(qiáng)大的功能，它不關(guān)心標(biāo)志、堆棧等瑣碎問題，采用類似自然語言的語法，所以易于掌握和應(yīng)用。

● 匯編語言本質(zhì)上就是機(jī)器語言，它可以直接、有效地控制計算機(jī)硬件，因而容易產(chǎn)生運(yùn)行速度快、指令序列短小的高效率目標(biāo)程序。高級語言不易直接控制計算機(jī)的各種操作，編譯程序產(chǎn)生的目標(biāo)程序往往比較龐大、難以優(yōu)化，所以運(yùn)行速度較慢。

通過對比可見，高級語言的優(yōu)勢明顯。很自然，人們稱機(jī)器語言和匯編語言為低級語言。但事實(shí)上，稱匯編語言為低層語言更合適。這是因為程序設(shè)計語言是按照計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)區(qū)分的，本沒有“高低貴賤”之分，只是某種語言更適合某種應(yīng)用層面（或場合）。我們看到，匯編語言便于直接控制計算機(jī)硬件電路，可以編寫在“時間”和“空間”兩方面最有效，即執(zhí)行速度快和目標(biāo)代碼小的程序。這些優(yōu)點(diǎn)使匯編語言在程序設(shè)計中占有重要的地位，是不可取代的。

匯編語言主要有如下應(yīng)用場合。

● 程序要具有較快的執(zhí)行時間，或者只能占用較小的存儲容量。例如，操作系統(tǒng)的核心程序段、實(shí)時控制系統(tǒng)的軟件、智能儀器/儀表的控制程序等。

● 程序與計算機(jī)硬件密切相關(guān)，要直接、有效地控制硬件。例如，I/O接口電路的初始化程序段、外部設(shè)備的低層驅(qū)動程序等。

● 大型軟件需要提高性能、優(yōu)化處理的部分。例如，計算機(jī)系統(tǒng)頻繁調(diào)用的子程序、動態(tài)連接庫等。

● 沒有合適的高級語言或只能采用匯編語言時。例如，開發(fā)最新的處理器程序時，暫時沒有支持新指令的編譯程序。

● 匯編語言還有許多實(shí)際應(yīng)用，例如，分析具體系統(tǒng)尤其是該系統(tǒng)的低層軟件、加密/解密軟件、分析和防治計算機(jī)病毒等。

當(dāng)然，無法回避的事實(shí)是，隨著各種編程技術(shù)的發(fā)展，單獨(dú)使用匯編語言開發(fā)程序尤其是應(yīng)用程序的情況越來越少。所以，在實(shí)際的程序開發(fā)過程中，可以采用高級語言和匯編語言混合編程的方法，互相取長補(bǔ)短，更好地解決實(shí)際問題。

另外，編寫匯編語言程序，需要使用處理器指令解決應(yīng)用問題，而指令只是完成諸如將一個數(shù)據(jù)從存儲器傳送到寄存器、對兩個寄存器值求和、指針增量指向下一個地址等簡單的功能。所以，從教學(xué)角度來說，匯編語言程序員在將復(fù)雜的應(yīng)用問題轉(zhuǎn)換成簡單指令的過程中，就是從處理器角度解決問題，于是很自然地理解了計算機(jī)的工作原理。