用复古电脑程序 Toy CPU 学习低级编程

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。

Altair 8800 计算机的图片

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。

Toy CPU 的启动屏幕

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 编辑屏幕

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。

Toy CPU 输入模式屏幕

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。

在运行模式下的 Toy CPU

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”）

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！