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計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)員，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)員證書？

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最早期的計(jì)算機(jī)雛形采用打孔紙帶作為程序，理解打孔紙帶計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理有利于我們理解計(jì)算機(jī)CPU的運(yùn)行原理。

因?yàn)榈侥壳盀橹梗?jì)算機(jī)的運(yùn)行原理本質(zhì)上沒有變，都是運(yùn)行0/1狀態(tài)的計(jì)算。

基本原理

打孔紙帶編程的本質(zhì)是基于機(jī)器碼的程序。

場(chǎng)景舉例

假定現(xiàn)在有一個(gè)簡(jiǎn)單CPU，其能運(yùn)行10種指令，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制為：

halt   --   0000
mov   --   0001
add   --   0010
and   --   0011
or    --   0100
xor   --   0101
sub   --   0110
shift   --   0111
load  --   1000
store   --   1001

同時(shí)，CPU帶有8個(gè)通用寄存器，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制如下：

r0    --  0000
r1    --  0001
r2    --  0010
r3    --  0011
r4    --  0100
r5    --  0101
r6    --  0110
r7    --  0111

程序功能及代碼

1、將 內(nèi)存地址(ex:0x1a)放到寄存器0

2、寄存器0的地址所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取到寄存器1

3、將另一個(gè)內(nèi)存地址(ex:0x2c)放到寄存器0

4、將寄存器0的地址所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀到寄存器2

5、將寄存器1和寄存器2的數(shù)值相加，存儲(chǔ)到寄存器3

6、將第三個(gè)地址(ex:0x3e)放到寄存器0

7、將寄存器3的數(shù)值寫入寄存器0所對(duì)應(yīng)的地址

對(duì)應(yīng)的匯編代碼如下：

mov    r0, 0x1a
load  r1, [r0]
mov   r0, 0x2c
load  r2, [r0]
addr  r3, r1, r2
mov   r0, 0x3e
store  r3, [r0]
halt

機(jī)器碼翻譯

前面講到，CPU支持10個(gè)指令，同時(shí)這些指令有自己的格式和參數(shù)，我們以二進(jìn)制每16位為一組做成編碼，不足的補(bǔ)0，指令規(guī)范如下：

mov : 0001 xxxx yyyy yyyy
load: 1000 xxxx yyyy 0000
add: 0010 xxxx yyyy zzzz
store: 1001 xxxx yyyy yyyy
halt: 0000 0000 0000 0000

其中xxxx yyyy zzzz 分別代表了代碼中要寫的具體數(shù)值。

于是翻譯后，上面的代碼就變成：

#0 0001 0000 0001 1010   - mov r0 0x1a
#1 1000 0001 0000 0000   - load r1 [r0]
#2 0001 0000 0010 1100   - mov r0 0x2c
#3 1000 0010 0000 0000   - load r2 [r0]
#4 0010 0011 0001 0010   - add r3 r1 r2
#5 0001 0000 0011 1110   - mov r0 0x3e
#6 1001 0011 0000 0000   - store r3 [r0]
#7 0000 0000 0000 0000   - halt

至此，一個(gè)匯編程序代碼就簡(jiǎn)單的翻譯成純粹的二進(jìn)制格式。

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紙帶編碼原理

紙帶的每一行規(guī)定了8個(gè)孔位，每個(gè)孔位代表1bit，可以打孔也可以不打，打孔代表1，不打代表0。

紙帶每行8個(gè)bit，兩行就是16個(gè)bit，上面的二進(jìn)制代碼，以8位一行，表現(xiàn)在只帶上，就如下圖所示：

○○○● ○○○○ – 0001 0000

○○○● ●○●○ – 0001 1010

●○○○ ○○○● – 1000 0001

…后續(xù)省略

紙帶編碼識(shí)別

到這里我們幾乎能夠明白紙帶編碼原理了，但是還差一點(diǎn)，就是如何識(shí)別紙帶編碼，這里我們可以發(fā)揮想象比如：

  • 方案1：采集器是8個(gè)探針(探針很粗，不會(huì)扎破紙帶)， 紙帶上下都有探針，有孔的地方，探針會(huì)接觸導(dǎo)通，而沒孔的地方則不會(huì)導(dǎo)通，另外再配備1個(gè)傳送帶，按照恒定勻速拖動(dòng)紙帶移動(dòng)，這樣CPU就能夠識(shí)別紙帶編碼，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算。
  • 方案2：紙帶上下有個(gè) 發(fā)光二極管，遮擋則不導(dǎo)通，類似于現(xiàn)在的形成開關(guān)。

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