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File metadata and controls

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現代的電腦無論其運算速度如何，只要是單一處理器 (CPU, Central Processing Unit)，都可以用下面的圖形來說明其基本架構，至於多處理器電腦系統本文不予討論。

各部分的功能如下所述：

  • Memory(記憶體)：可分成很多個小格子，每個格子都可存放一筆資料。有時也可稱為 Main Memory(主記憶體)
  • I/O interface(輸出入介面)：是電腦和外界的窗口，可以從外界輸入 (Input) 資料，或將資料輸出 (Output) 到外界。常見的輸入裝置如鍵盤，滑鼠; 常見的輸出裝置如螢幕，印表機。
  • Control Unit(控制單元)：負責指令的擷取和解釋
  • ALU(Arithmetic and Logic Unit，算數與邏輯單元)：負責算數與邏輯指令的實際執行工作，裡面有一些記憶體供計算所需，特別稱為 Register(暫存器)。暫存器的數量隨硬體而不同，此處說明用的虛擬電腦只有一個暫存器。一般常見的暫存器則有
    • 累加器 (Accumulator)：儲存執行運算的資料
    • 旗標暫存器 (Flag Register)：儲存運算處理後的 CPU 狀態
    • 程式計數器 (Program Counter)：儲存目前執行指令所在的地址
    • 基底暫存器 (Base Register)：表達某塊記憶體空間的開始位置
    • 索引暫存器 (Index Register)：儲存基底暫存器的相對位置
    • 通用暫存器 (General Purpose Register)：儲存一般資料
    • 指令暫存器 (Instruction Register)：儲存指令。僅供 CPU 內部使用

在上圖的機器中共有 100 個記憶體可用，每個記憶體可以存放 3 個數字。Control Unit, ALU, Program Counter 在現代的硬體設計裡多做在一起，稱為 CPU(Central Processing Unit)。Pentium 4 就是 Intel 這家公司的 CPU 產品。

電腦執行一個機器指令的步驟為：

  1. Fetch(擷取指令): 由 Control Unit 讀取 Program Counter 的內容，根據 Program Counter 的數值去相對應的 Memory 抓指令
  2. Decode(解碼): 抓到的指令經 Control Unit 判讀，決定要如何執行該指令
  3. Execute(執行): 在 ALU(Alrithmetic and Logic Unit) 裡執行該指令
  4. Write(寫回): 更改 Program Counter 的內容

虛擬機器的指令集

不同的 CPU 其設計的指令集也不同，最常見的 x86 系列 CPU(Pentium 4 即屬於該系列)，其指令集包括幾百個指令。一般而言，電腦指令可以分類為下面幾類：

  • 資料複製: 將暫存器的複製到主記憶體 (STORE)，將主記憶體複製到暫存器 (LOAD)
  • 算數運算: 如加減乘除
  • 邏輯運算: 判斷條件是否成立，如大於，小於，等於
  • 更改 Program Counter
  • 輸出入

為說明起見，我們定義以下的虛擬機器指令集：

虛擬機器的指令的格式：由 3 個數字組成，第一個數字代表指令，後面兩個數字代表記憶體的地址。機器指令執行時會改變某些記憶體 (含 Program Counter 以及暫存器等 CPU 內部的記憶體，以及 Main Memory) 的內容，而這些記憶體就決定了指令執行的結果。換句話說，電腦不記得過去，也不知道未來，他只能透過記憶體的內容知道現在的情況。

  • 指令 0--LOAD XX
    • 將 XX 記憶體的內容複製到暫存器內，然後將 Program Counter 加 1
  • 指令 1--STORE XX
    • 將暫存器的內容複製到 XX 記憶體，然後將 Program Counter 加 1
  • 指令 2--ADD XX
    • 將記憶體 XX 的內容與暫存器內的數值相加，結果放在暫存器上，然後 Program Counter 加 1
  • 指令 3--SUB XX
    • 將暫存器內的數值減掉記憶體 XX 的內容，結果放在暫存器上，然後 Program Counter 加 1　
  • 指令 4--JUMP XX
    • 將 Program Counter 的內容改為 XX
  • 指令 5--SKIP
    • 若暫存器的內容 >=0，則把 Program Counter+1，否則把 Program Counter+2
  • 指令 6--INPUT
    • 由輸入裝置讀入資料放到暫存器上，然後將 Program Counter+1　
  • 指令 7--OUTPUT
    • 由暫存器將資料送到輸出裝置，然後 Program Counter +1　
  • 指令 8--CALL XX
    • 將 (Program Counter+1) 放到堆疊上，然後 Program Counter 的內容改成 XX　
  • 指令 9--RETURN
    • 由堆疊上取出一個數值，然後將 Program Counter 的內容改成此數值　
  • 指令 10--HALT
    • 程式停止執行

附註：

所謂堆疊 (Stack) 是一個上方只有一個開口的容器，當要把資料放入堆疊時，是放在堆疊的最上面，當要從堆疊拿資料時，是從最上面拿。放入的動作稱為 push，拿出來的動作稱為 pop。 由於只有一個開口，你可以觀察到先放進去的資料會最後拿出來 (Firt In Last Out，FILO)。例如依序 push 1，2，3，4 四個數字，然後再 pop 四次，你會發現拿出來的順序是 4，3，2，1 。只要符合 FILO 特性的容器，就可稱為堆疊。電腦內部的 Stack 是用 Main Memory 來模擬的。

以下是以虛擬機器語言所寫的兩數字相加程式，-- 後面的部分是註解，是給人看的，電腦不予處理：

  • INPUT -- 輸入數字到暫存器，program counter+1
  • STORE 99 -- 將暫存器的內容複製到記憶體 99 的地方，program counter+1
  • INPUT -- 輸入數字到暫存器，program counter+1
  • ADD 99 -- 將記憶體 99 的內容加到暫存器，program counter+1
  • OUTPUT -- 將暫存器的內容輸出，program counter+1
  • HALT -- 程式停止執行

計算 abs(x-y)

  • INPUT -- 輸入數字到暫存器，program counter+1
  • STORE 98 -- 將暫存器的內容複製到記憶體 98 的地方，program counter+1
  • INPUT -- 輸入數字到暫存器，program counter+1
  • STORE 99 -- 將暫存器的內容複製到記憶體 99 的地方，program counter+1
  • SUB 98 -- 將暫存器的內容減掉記憶體 98 的內容，program counter+1
  • SKIP -- 如果暫存器的內容 >= 0 則 program counter+1; 否則 program coounter+2
  • JUMP 9 -- 將 program counter 設為 9，也就是跑到第 9 行的 OUT 指令
  • LOAD 98 -- 將記憶體 98 的內容複製到暫存器，program counter+1
  • SUB 99 -- 將暫存器的內容減掉記憶體 99 的內容 ，program counter+1
  • OUTPUT -- 將暫存器的內容輸出, program counter + 1
  • HALT -- 程式停止執行

呼叫函數將兩個數字相加的範例

  • INPUT -- 輸入數字到暫存器，program counter+1
  • STORE 99 -- 將暫存器的內容複製到記憶體 99，program counter+1
  • INPUT -- 輸入數字到暫存器，program counter+1
  • STORE 98 -- 將暫存器的內容複製到記憶體 98，program counter+1
  • CALL 07 -- 將 program counter+1(也就是 5) 放到堆疊上 ，program counter 改為 07
  • OUTPUT -- 將暫存器的內容輸出, program counter + 1
  • HALT -- 結束程式
  • LOAD 99 -- 將記憶體 99 的內容複製到暫存器上，program counter+1
  • ADD 98 -- 將暫存器的內容加上記憶體 98 的內容，program counter+1
  • RETURN -- 由堆疊取出一個數值 (目前最上面的為 5)，並將 program counter 設為該數值

Software development process

撰寫程式的流程如下圖，所需要的工具包括 Text Editor, Preprocessor, Compiler, Linker 等四種

Text Editor：程式設計師利用此工具編輯 (Edit)Source code file(Text Format), 也就是說產生. c 檔的工具。

Preprocessor：結合 Source code file(.c 檔) 和零到多個 Header files(.h 檔)，經過編輯 (Edit) 後成為另一個修改過的 Source code file。

Compiler：將 source code 編譯 (compile) 產生 Object code file(.o 檔, Binary Format)，同一個作業平台的 Object code 格式相同，也就是說 Object code file 可以由不同程式語言的 Compiler 產生。

Linker：將幾個 Object code files 連結 (link) 產生一個可執行檔 (.exe 檔)。

如果你的開發環境是在 Windows 上，下面有關 vi 和 gcc 的說明可以跳過。

在 Unix 作業系統內，最常見的 Text Editor 是 vi。

$ gcc hello.c

若 hello.c 完全沒有錯誤，則以上命令會產生一個執行檔 a.out，在命令列下打 a.out 即可觀察你所寫程式的執行結果。有時候若你設定的環境變數不對，則可能出現 Command Not Found 的錯誤，此時你可輸入 ./a.out。若不想讓 gcc 編譯出來的執行檔叫做 a.out，則可下達以下命令：

$ gcc -o exename hello.c

撰寫大型程式時，很可能會有多個 .c 的原始程式檔，假設他們的名稱是 source1.c, source2.c, source3.c... 如果要個別編譯這些 source code，則下達如下命令：

$ gcc -c source1.c

若編譯成功，會產生 source1.o 的檔案。要將數個 Object Code 連結成為一個可執行檔，則下達以下命令：

$ gcc source1.o source2.o source3.o

至於 Windows 作業系統上的程式編寫環境，最常使用的是 Microsoft Visual Studio，裡面就包含了 Visual C++ 的開發環境。因為 C++ 可視為 C 語言的父集合，因此你也可以用 Visual C++ 來開發 C 程式。這類視覺化的開發工具 (Dev C++ 也是其中一種)，已經把 Text Editor, Preprocessor, Compiler, Linker 整合在一起， 並包括 Project Management(專案管理) 等功能，因此這類工具又稱為 Integrated Development Environment(IDE，整合開發環境)。