2——C语言之路启程

什么是汇编

指令系统

在了解什么是汇编之前，我们先要知道什么是指令系统。指令系统如其名所示，就是整个计算机所支持的全部指令的集合，比如说上一节提到过的ADD,MUL等等。这些指令从计算机看来都是机器语言，什么叫机器语言呢？

         因为计算机作为一个数字系统[1]，一般只能识别二进制码，也就是00100011000100···类似的二进制串，我们想要和计算机交互，让计算机运行我们想要的命令，那么我们就必须把我们的命令翻译成这一系列特定的二进制串，这些二进制串就叫做机器语言。

         如果一个计算机支持了ADD指令，我这里拿一个具体的8051内核单片机[2]作为例子，8051单片机其中实现了加法运算ADDA,data，其对应的操作码的机器码，也就是ADD的机器语言表示是0x25，也就是0010,0101。也就是说，我们现在可以通过机器码和计算机进行一定的交互了，而计算机所支持的所有机器码便构成了整个指令系统。而指令系统现在多分为CISC和RISC两大体系。

CISC复杂指令集计算机

CISC(Complex Instructions Set Computer,复杂指令集计算机)指令系统的典型例子就是我们日常常见的Intel^TM生产的CPU。复杂指令如同其名字所说，其指令系统所支持的指令都比较复杂，可以实现更多功能强大的操作，比如说直接从外部储存器中读取数值如图Figure1，写入数值等等，这些操作都是RISC指令集说不支持的。

Figure 1

RISC精简指令集计算机

RISC(ReducedInstructions Set Computer,精简指令集计算机)指令系统的典型例子就是我们移动平台比如手机，平板电脑等使用的ARM^TM类型的CPU。它的指令如其名字所说，都是比较简单的，举个例子来说，比如CISC可以直接从内存中读取写入数值，但是RISC的就必须把数值从内存先加载到寄存器中，然后从寄存器中读取数值，这个过程如Figure 2所示。

Figure 2

RISC的指令精简意味着完成一个CISC直接支持的操作就必须通过多条指令间接完成，那么是不是就一定速度性能劣于CISC呢？不然，RISC的指令解码[3]和执行直接由硬件实现，我们称之为硬联逻辑，也就是说每条指令都会对应一个硬件电路去专门实现它，因此完成一条指令的速度将会快于CISC的。

         因此RISC和CISC各有优缺点，不能一概说谁优谁劣，而且现在还出现了在CISC中搭配RISC内核的CPU。（鉴于RISC的指令形式比较简单，我们接下来出现的例子都将会是以ARM指令作为例子）。

汇编

说完了指令系统，那么我们就可以开始真正回答一开始的问题“什么是汇编”了。汇编(assembly language)也是一种编程语言，其出现的目的很直接，就是解决机器码难以记忆的难题。用一大串二进制码表示一条指令对于程序员来说，是一个不小的负担，而且出错了将会难以查找，因此就出现了汇编这种与机器码直接相关的低级语言，其本质就是用一些英文符号表示二进制串。

C语言与汇编的关系

C语言作为一种高级编程语言，其本身有着移植性较强(移植性与汇编语言对比较强，若是比起Java等语言则不如)，易于理解，便于差错的优点。计算机自然是不能识别C语言本身的，计算机处理器C语言程序本质上还是处理一系列的二进制串，因此C语言必须通过一定手段解释为一些特定的机器码。我们就是通过汇编作为跳板，首先先将C语言编译成汇编语言，然后再将汇编语言编译成机器码实现的，这个过程框图如Figure3。这个过程的一个例子可以参考Figure4。

         也就是说，对于C语言，其编译器是至关重要的一个东西，不同硬件平台上的编译器都将不同，而编译器的优化水平，编译水平将直接导致程序的效率高低等等。

Figure 3

Figure 4

最后想说的话

C语言是一个简洁优美的计算机编程语言，采用结构化编程的思想，其具有高效率[4]，与底层硬件有一定关系的低级语言的特点，也有着编写的程序可读性高，运算符丰富，表达灵活，符合人类直观感觉的高级语言特点，比起汇编语言这类型的与硬件平台高度相关的低级语言，C语言具有强大的可移植性，也就是说你在A平台上写的代码可以经过很小的修改甚至完全不用修改就可以在B平台上使用。

         C语言所有的指针操作可谓是C语言中的明珠，使用得当可以大幅度增大程序运行的效率，然而有利有弊，指针的使用要求使用者了解计算机的储存原理，不然无法很好的理解指针。在Java等高级语言中，虽说已经抛弃了指针这个概念，但是有个相似的引用这个东西。

         在IT风云骤变的世纪，C语言已经走过了大半世纪，其中不知道见证了多少语言的诞生，兴盛与灭亡，而C语言依然坚挺，在2016世界编程语言排行中排名第二，说明了C语言的重要性。

Figure 5

而目前，编程语言成千上百，常见的有C，C++，Java，Python，Ruby，PHP，Lua，Perl，Fortran，Lisp，MATLAB等等，其适用于各种不同的场合，而我们可能经常会听到java，Python，PHP等等，因为他们的确是现在非常的热门，仿佛他们可以完成一切编程任务。其实不然，在我们的单片机，嵌入式开发中这些追求高效率的编程任务中，我们还是大量的使用C语言和C++语言，而不会采用java开发，特别是对于一些没有JVM的单片机，根本无法谈及Java等。而且，随着时代发展，C语言也从早期的ANSI C发展到了C89，C99，C11等，虽说不是每个编译器都支持了这些标准，但是也说明了C语言也在与时俱进，因此学习C语言不会落伍。

而且我认为，作为一个专业的电子工程的学生，以编程作为饭碗的人来说，不管你以后从事的工作将会使用什么语言进行编程开发，也许你以后永远都不会采用C语音作为开发的工具，学习C语言都将是你的首要选择。因为学习C语言能强迫你了解计算机的体系结构，计算机的组成原理，内存管理，数据结构等很多计算机基础知识，更重要的是，你可以从中学会从计算机的角度看待一个问题，而不是作为一个人的角度看待一个问题，这样听起来很抽象，但是学习下去诸位就会发现这个其实是很重要的，从计算机的角度看待问题可以使得计算机处理任务更加的高效，稳定。而现在的Java，Python等语言很多都是从人类的思维出发的，符合人类直觉，但是却不能让你了解到一些细节的东西。因此，我们又有什么理由放弃学习C语言呢？！

 

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[1] 数字系统采用的数制倒不一定就是二进制的，比如初期的电子管计算机有些会采用十进制的，知道冯洛伊曼提出冯洛伊曼体系结构的之后，人们发现采用二进制的稳定性更高。因此现在的计算机一般都是二进制数字系统。

[2] 单片机也是计算机的一种，它是在芯片内部集成了除了CPU之外的很多常用外设和储存器，比如ADC，DAC，DRAM，Flash等等。

[3] 多由控制器负责指令的解码。

[4]  取决与其编译器，有些编译器的优化得好，其效率直逼手动汇编程序。