程序和指令, since 2020-11-17

(2020.11.17 Tues)

指令instruction

计算机做的事其实很简单，我们给CPU发出指令(instruction)，CPU会执行基础动作。指令通常由一串二进制的序列构成。CPU会识别并执行这些指令。每款CPU都有一套指令集，如ARM CPU使用的精简指令集。

一条指令能做的事很少，比如计算寄存器中两个数的和，又如把内存中的数据移入寄存器。寄存器(register)是CPU的临时存储空间。在树莓派中，一个简单的要求，比如求和，也需要多条指令。

1. 把内存1号地址的数据放入寄存器a
2. 把内存2号地址的数据放入寄存器b
3. 对寄存器a和寄存器b的数值求和，并放入寄存器a
4. 把寄存器a的结果放入内存3号地址

除了搬运数据和计算，CPU指令还可以控制计算机内的其他硬件乃至外设。早期程序员必须熟记CPU的指令集，用指令写程序，需要把任务分解成一条条CPU可以直接理解的指令，这样的程序称为机器程序(machine code)，机器程序可以用汇编语言(assembly language)编写。加法程序用汇编可以表示如下

MOV AX, [20H]
MOV BX, [10H]
ADD AX, BX
MOV [20H], AX

AX和BX代表了寄存器的两个位置，[20h]和[10H]是内存的两个位置。

C程序和程序编译

考虑到计算机经常重复执行某些特定任务，于是高级语言被发明出来，用一些特殊的语法来抽象某些常见的指令组合。Linux系统的大部分程序，是用C语言这一高级语言写成的。

C语言中包含了很多抽象语法，所以计算机不能直接理解C语言的语法。高级C语言必须首先编译成汇编程序，再转成机器程序运行。编译C程序的指令如下

$gcc demo.c

编译完成，当前目录下会出现一个a.out(默认输出)的二进制可执行文件，运行该文件

$./a.out

这里的a.out就是一个指令式的程序，是经过编译的。用apt-get下载的应用都是被编译好的二进制可执行文件。

如果apt-get没能找到想要的软件，需要从源代码出发，对程序进行编译。一般而言，会有一个名为configure的脚本用于设置，编译的第一步就是运行这个脚本

$./configure

之后运行make命令

$make

make命令会根据工程中的makefile来解析代码文件之间的依赖关系。通常来说一个工程会包含多个C语言程序。由于C语言可以跨文件的调用函数和变量，所以在编译时，代码文件之间相互依赖。make命令会根据依赖关系来编译文件。

最后把编译好的二进制可执行文件放到configure设定的目标路径中

$sudo make install

Reference

1 Vamei，周梓昕著，树莓派开始玩转Linux，中国工信出版集团，电子工业出版社