用复古电脑程序 Toy CPU 学习低级编程

我写了一个名为 “Toy CPU” 的教育性复古计算机程序，以便我的学生能够学习机器语言。

我兼职教授大学课程，包括一个对所有专业开放的一般计算机主题的课程。这是一门入门课程，向学生讲授技术是如何运作的，以消除围绕计算的神秘感。

虽然不是计算机科学课程，但这门课的一个部分涉及计算机编程。我通常用非常抽象的术语谈论编程，所以不会让听众听不懂。但是今年，我想让我的学生以 “老派” 的方式做一些需要 “动手” 的编程。同时，我又想保持简单，以便让每个人都能跟上。

我喜欢将我的课程结构化，以显示你是如何从 “那里” 到 “这里” 的。理想情况下，我会让我的学生学习如何编写一个简单的程序。然后，我将从这里开始，展示现代编程是如何让开发人员创建更复杂的程序的。我决定尝试一种非常规的方法 —— 教学生学习终极的低级别编程语言：机器语言。

机器语言编程

早期的个人电脑如 Apple II（1977 年）、TRS-80（1977 年）和 IBM PC（1981 年）让用户用键盘输入程序，并在屏幕上显示结果。但计算机并不总是带有屏幕和键盘。

Altair 8800 和 IMSAI 8080（均为 1975 年制造）要求用户使用面板上的 “开关和灯” 输入程序。你可以用机器语言输入指令，使用一组开关，机器会点亮 LED 灯以代表每个二进制指令的 1 和 0。

对这些早期机器进行编程，需要了解被称为 “ 操作码 opcode ” （操作代码的简称）的机器语言指令，以执行基本操作，如将两个数字相加或将一个值存储到计算机的存储器中。我想向我的学生展示程序员是如何通过开关和灯，手工输入一系列指令和内存地址的。

然而，在这门课上，使用实际的 Altair 8800 就有点太复杂了。我需要一些简单的、任何初级水平的学生都能掌握的东西。理想情况下，我希望能找到一个简单的 “业余” 复古计算机，其工作原理与 Altair 8800 相似，但我无法找到一个价格低于 100 美元的合适的 “类似 Altair” 的设备。我找到了几个 “Altair” 软件模拟器，但它们忠实地再现了 Altair 8800 的操作码，这对我的需求来说太过沉重。

我决定编写我自己的 “教育” 复古计算机。我称它为 “Toy CPU”。你可以在我的 GitHub 代码库 上找到它，包括几个可以运行的版本。第一版是一个实验性的原型，运行在 FreeDOS 上。第二版是一个更新的原型，在 Linux 上用 ncurses 运行。版本 3 是一个 FreeDOS 程序，在图形模式下运行。

Toy CPU 的编程

Toy CPU 是一个非常简单的复古计算机。它只有 256 字节的内存和一个最小化的指令集，其目的是在复制 “开关和灯” 编程模式的同时保持简单化。它的界面模仿 Altair 8800，有一系列 8 个 LED 灯，分别代表计数器（程序的 “行号”）、指令、累积器（用于临时数据的内部存储器）和状态。

当你启动 Toy CPU 时，它通过清除内存来模拟 “启动”。当它启动时，它也会在屏幕右下方的状态灯中显示 “INI”（初始化）。“PWR”（电源）灯亮表示 Toy CPU 已被打开。

当 Toy CPU 准备好让你进入一个程序时，它通过状态灯指示 “INP”（“输入”模式），并让你从程序的计数器 0 开始。Toy CPU 的程序总是从计数器 0 开始。

在 “输入” 模式下，用上下方向键显示不同的程序计数器，按回车键编辑当前计数器上的指令。当你进入 “编辑” 模式时，Toy CPU 的状态灯上会显示 “EDT”（“编辑” 模式）。

Toy CPU 有一张速查表，被 “贴” 在显示屏的前面。它列出了 Toy CPU 可以处理的不同操作码。

• 00000000（STOP）：停止程序执行。
• 00000001（RIGHT）：将累加器中的位向右移动一个位置。值 00000010 变成 00000001，00000001 变成 00000000。
• 00000010（LEFT）：将累加器中的位向左移动一个位置。值 01000000 变成 10000000，10000000 变成 00000000。
• 00001111（NOT）：对累加器进行二进制非操作。例如，值 10001000 变成 01110111。
• 00010001（AND）：对累加器用存储在某一地址的值进行二进制与操作。该地址被存储在下一个计数器中。
• 00010010（OR）：对累积器用存储在某一地址的值进行二进制或运算。
• 00010011（XOR）：对累加器用存储在某一地址的值进行二进制异或运算。
• 00010100（LOAD）：将一个地址的值加载（复制）到累加器中。
• 00010101（STORE）： 存储（复制）累加器中的值到一个地址。
• 00010110（ADD）：将存储在某一地址的数值加入到累加器中。
• 00010111（SUB）：从累积器中减去储存在某一地址的数值。
• 00011000（GOTO）：转到（跳到）一个计数器地址。
• 00011001（IFZERO）：如果累加器为零，转到（跳到）一个计数器地址。
• 10000000（NOP）：空操作，可以安全地忽略。

当处于 “编辑” 模式时，使用左右方向键选择操作码中的一个位，然后按空格键在关闭（0）和开启（1）之间翻转数值。当你完成编辑后，按回车键回到 “输入” 模式。

一个示例程序

我想通过输入一个简短的程序来探索 Toy CPU，将两个数值相加，并将结果存储在 Toy CPU 的内存中。实际上，这执行的是算术运算 A+B=C。要创建这个程序，你只需要几个操作码：

• 00010100（LOAD）
• 00010110（ADD）
• 00010101（STORE）
• 00000000（STOP）

LOAD、ADD 和 STORE 指令需要一个内存地址，这个地址总是在下一个计数器的位置。例如，程序的前两条指令是:

“`
计数器 0：00010100
计数器 1：某个内存地址，第一个值 A 存放在那里

“`

计数器 0 中的指令是 LOAD 操作，计数器 1 中的值是你存储某个值的内存地址。这两条指令一起将内存中的数值复制到 Toy CPU 的累加器中，在那里你可以对该数值进行操作。

将一个数字 A 装入累加器后，你需要将数值 B 加到它上面。你可以用这两条指令来做：

“`
计数器 2：00010110
计数器 3：存储第二个值 B 的内存地址

“`

假设你把值 1（A）装入累加器，然后把值 3（B）加到它上面。现在累加器的值是 4。现在你需要用这两条指令把数值 4 复制到另一个内存地址（C）：

“`
计数器 4：00010101
计数器 5：一个内存地址（C），我们可以在那里保存新的值

“`

把这两个值加在一起后，现在可以用这条指令结束程序：

“`
计数器 6: 00000000

“`

计数器 6 之后的任何指令都可以供程序作为存储内存使用。这意味着你可以用计数器 7 的内存来储存值 A，计数器 8 的内存来储存值 B ，计数器 9 的内存来储存值 C。你需要将这些分别输入到 Toy CPU 中：

“`
计数器 7：00000001（1）
计数器 8：00000011（3）
计数器 9：00000000（0，以后会被覆盖）

“`

在弄清了所有指令和 A、B 和 C 的内存位置后，现在可以将完整的程序输入到 Toy CPU 中。这个程序将数值 1 和 3 相加，得到 4：

“`
计数器 0：00010100
计数器 1：00000111（7）
计数器 2：00010110
计数器 3：00001000（8）
计数器 4：00010101
计数器 5：00001001（9）
计数器 6：00000000
计数器 7：00000001（1）
计数器 8：00000011（3）
计数器 9：00000000（0，以后会被覆盖）

“`

要运行程序，在 “输入” 模式下按下 R 键。Toy CPU 将在状态灯中显示 “RUN”（“运行” 模式），并从计数器 0 开始执行你的程序。

Toy CPU 有一个明显的延迟，所以你可以看到它执行程序中的每一步。随着程序的进行，你应该看到计数器从 00000000（0）移动到 00000110（6）。在计数器 1 之后，程序从内存位置 7 加载数值 1，累积器更新为 00000001（1）。在计数器 3 之后，程序将加数值 3，并更新累加器显示 00000100（4）。累加器将保持这种状态，直到程序在计数器 5 之后将数值存入内存位置 9，然后在计数器 6 结束。

探索机器语言编程

你可以使用 Toy CPU 来创建其他程序，并进一步探索机器语言编程。通过用机器语言编写这些程序来测试你的创造力。

一个在累积器上闪灯的程序

你能点亮累加器上的右四位，然后是左四位，然后是所有的位吗？你可以用两种方法之一来写这个程序。

一种直接的方法是，从不同的内存地址加载三个数值，像这样：

“`
计数器 0：LOAD
计数器 1：“右边”
计数器 2：LOAD
计数器 3：“左边”
计数器 4：LOAD
计数器 5：“所有”
计数器 6：STOP
计数器 7：00001111（“右边”）
计数器 8：11110000（“左边”）
计数器 9：11111111（“全部”）

“`

写这个程序的另一种方法是尝试使用 NOT 和 OR 二进制操作。这样可以得到一个更小的程序：

“`
计数器 0：LOAD
计数器 1：“右边”
计数器 2：NOT
计数器 3：OR
计数器 4：“右边”
计数器 5：STOP
计数器 6：00001111（“右边”）

“`

从一个数字开始倒数

你可以把 Toy CPU 作为一个倒数计时器。这个程序行使 IFZERO 测试，只有当累加器为零时，程序才会跳转到一个新的计数器：

“`
计数器 0：LOAD
计数器 1：“初始值”
计数器 2：IFZERO（这也是倒计时的“开始”）
计数器 3：“结束”
计数器 4：SUB
计数器 5：“1”
计数器 6：GOTO
计数器 7：“开始”
计数器 8：STOP
计数器 9：00000111（“初始值”）
计数器 10：00000001（“1”）

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Toy CPU 是学习机器语言的一个好方法。我在入门课程中使用了 Toy CPU，学生们说他们发现写第一个程序很困难，但写下一个程序就容易多了。学生们还表示，用这种方式编写程序其实很有趣，他们学到了很多关于计算机实际工作的知识。Toy CPU 既具有教育性，也很有趣味性！

via: https://opensource.com/article/23/1/learn-machine-language-retro-computer

作者：Jim Hall 选题：lkxed 译者：wxy 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出