23、P1 W4 U4.2 机器语言 基本概念
视频：
如果本次课程对应的 Coursera 的视频打不开，可以点击下面链接
P1W4U4.2 - Machine Languages-Elements
在开始 讲 Hack小电脑 的 机器语言前，老师要先讲讲通用的基本概念。
因为不光Hack小电脑的设计原则是这样，事实上大部分计算机的设计都符合这些基本概念。
理解这些不光帮助我们在之后更好的制作Hack小电脑，也能举一反三的理解其它计算机的架构设计。
机器语言 是神秘的 软件 和 硬件的交汇点，初高中时，第一次接触电脑，特别好奇就是这里。
（其实在第二周U2.4 ALU的那节课已经隐约能体会到）
接下来说说下图里的三问，也是本节要说明的基本概念。
1.操作指令都是什么？
2.这些指令怎么操作数据？
3.如何控制指令执行顺序？
课程是为了便于理解，所以不考虑执行性能。
1.操作指令都是什么？
机器语言 的各种操作，实际上往往都对应着硬件的实现。
操作基本分三种：
算术操作：加、减。有的还有乘、除。等等
逻辑操作：与、或、非等等
指令顺序控制：跳转、判断等等。
有区别的地方，比如乘除的实现，HACK电脑就没有乘除的硬件实现，而是之后在Part2软件部分去实现的。
另外数据类型，有的有浮点数，有的数据位更宽（64位）或者更短（8位）。
上图列出：一般机器语言都包括什么操作，各自可能有区别的地方
2.这些指令怎么操作数据？
在说如何操作数据前，先说一下数据是如何在存储里读取的。
事实上访问这些存储是相对消耗资源的。
需要提供一个长长的地址来对应存储。
把存储的数据放入CPU也要花费一定时间。
为了解决访问速度和存储量的扩大间的冲突。
解决办法：把存储分层级来区分。（如下图）
离CPU最近的是很少的寄存器（Register，物理上，在CPU内部），也是读取速度是最快的。
然后下一级可能是Cache（可以对应理解为电脑CPU上的一级缓存，二级缓存？），存储单元就多了些，同时访问速度也相对离CPU最近的Register慢了一些。
然后是主存储（Main Memory，可以对应理解为电脑里的内存条？），同理存储比Cache大，速度就再慢了一些。
最后是Disk（对应理解为硬盘就好了）。
存储层级：为了解决速度和大小的冲突
下面主要说一下寄存器
寄存器主要分两种：（如下图）
一种数据寄存器（Data Registers）：存的就是数据，例如 R1、R2
一种地址寄存器（Address Registers）：存的是其它寄存器的地址，例如 A
都是寄存器，存的都是0101xxx，无非一种当数值用，一种当地址值用
现在知道了上图两种寄存器，那么回到问题2（2.这些指令怎么操作数据？）
如下图，四种操作数据的方式：
数据寄存器 操作，比如
Add R1，R2
解释：R1 + R2 再存到 R2
直接寻址 操作，比如
Add R1，M[200]
解释：R1 + 门牌号为200的寄存器里的数值，结果再存入200号寄存器
地址寄存器 间接寻址 操作，比如
Add R1，@A
解释：R1 + 门牌号为地址寄存器里存的地址数值，结果再存回去。区别上面的就是，200不是直接给出的。而是需要从A里的地址所指的寄存器里取出。
立即数 操作，比如
Add 73，R1
解释：73 + R1，在存回R1。区别第一种，就是不用变量名R1、R2。直接就是一个数值。
操作数据的四种方式
这里顺带提了一下 外围设备 （输入输出设备，例如 显示器，键盘，等等）的访问。
实际上也是存储器的访问。利用了一种 存储映射方式（memory mapping）。
这里就不说泛泛概念了，后面U4.5课程有详细说明。
3.如何控制指令执行顺序？
最后一个基本概念，就是对程序顺序的控制。
默认CPU是顺序执行程序的。
但有时需要特殊控制一下，例如跳回前一步执行，以实现循环执行的目的。
这里涉及两种控制：
1.无条件跳转
2.有条件跳转
如下图 先说 无条件跳转
无条件跳转 也是一个指令，例如，让CPU执行的下一步 跳（jump） 到 第2行，那么命令就是 “jump 第二行”，但我们很难知道第二行命令指令的具体在存储中的地址，所以为了简化方便，程序也会提供一些功能来标识第二行的位置。例如下图 loop，这样命令就变成 “jump loop”（不用记这些命令，只是示意）
无条件跳转
如下图 再说 有条件跳转
注：JGT（J = Jump = 跳、GT = Greater Than = 大于）
JGT R1，0，cont
解释：如果R1 大于 0 跳到 cont。否则，顺序执行下一行。
有条件跳转
这节讲解完了 通用计算机的 机器语言的 通用基本概念。
下面几节，开始来看看我们要实现的Hack小电脑里的机器语言具体是什么样子的。
