2022-08-26  2022-09-01    3402 字  7 分钟

i.e. The First Programming Languages

(。・∀・)ノ゙嗨,我是 Carrie Anne,欢迎收看计算机科学速成课!

之前我们把重点放在硬件 - 组成计算机的物理组件,比如电,电路,寄存器,RAM,ALU,CPU ,但在硬件层面编程非常麻烦。

所以程序员想要一种更通用的方法编程 - 一种"更软的"媒介。

没错,我们要讲软件!

第 8 集我们一步步讲了一个简单程序,第一条指令在内存地址 0:0010 1110 ,之前说过,前 4 位是操作码 ,简称 OPCODE 。对于这个假设 CPU,0010 代表 LOAD_A 指令 - 把值从内存复制到寄存器 A ,后 4 位是内存地址,1110 是十进制的 14 ,所以这 8 位表达的意思是 “读内存地址 14,放入寄存器 A”。

只是用了两种不同语言,可以想成是英语和摩尔斯码的区别 - “你好” 和 “…. . .-.. .-.. —” 是一个意思:你好。只是编码方式不同,英语和摩尔斯码的复杂度也不同,英文有 26 个字母以及各种发音,摩尔斯码只有"点"和"线",但它们可以传达相同的信息,计算机语言也类似。

机器语言

计算机能处理二进制,二进制是处理器的"母语",事实上,它们只能理解二进制,这叫 “机器语言” 或 “机器码”。

在计算机早期阶段,必须用机器码写程序。具体来讲,会先在纸上用英语写一个"高层次版"。举例:“从内存取下一个销售额,然后加到天、周、年的总和,然后算税”,等等。.. 这种对程序的高层次描述,叫 “伪代码” 。在纸上写好后,用"操作码表"把伪代码转成二进制机器码,翻译完成后,程序可以喂入计算机并运行。

汇编语言

你可能猜到了,很快人们就厌烦了。所以在 1940~1950 年代,程序员开发出一种新语言, 更可读、更高层次,每个操作码分配一个简单名字,叫"助记符",“助记符"后面紧跟数据,形成完整指令。与其用 1 和 0 写代码,程序员可以写"LOAD_A 14”,我们在第 8 集用过这个助记符,因为容易理解得多!

当然,CPU 不知道 LOAD_A 14 是什么,它不能理解文字,只能理解二进制。所以程序员想了一个技巧,写二进制程序来帮忙,它可以读懂文字指令,自动转成二进制指令,这种程序叫 - 汇编器(Assembler)。汇编器读取用"汇编语言"写的程序,然后转成"机器码" ,“LOAD_A 14” 是一个汇编指令的例子。

随着时间推移,汇编器有越来越多功能,让编程更容易。

其中一个功能是自动分析 JUMP 地址。

这里有一个第 8 集用过的例子:注意,JUMP NEGATIVE 指令跳到地址 5 ,JUMP 指令跳到地址 2 ,问题是,如果在程序开头多加一些代码,所有地址都会变,更新程序会很痛苦!所以汇编器不用固定跳转地址,而是让你插入可跳转的标签,当程序被传入汇编器,汇编器会自己搞定跳转地址。程序员可以专心编程,不用管底层细节。

隐藏不必要细节来做更复杂的工作。

我们又提升了一层抽象!🔆

然而,即使汇编器有这些厉害功能,比如自动跳转。汇编只是修饰了一下机器码,一般来说,一条汇编指令对应一条机器指令,所以汇编码和底层硬件的连接很紧密。汇编器仍然强迫程序员思考用什么寄存器和内存地址,如果你突然要一个额外的数,可能要改很多代码。

让我们进入思考泡泡

葛丽丝·霍普博士 也遇到了这个问题,作为美国海军军官,她是哈佛 1 号计算机的首批程序员之一,这台机器我们在第 2 集提过。这台巨大机电野兽在 1944 年战时建造完成,帮助盟军作战,程序写在打孔纸带上,放进计算机执行。顺便一说,如果程序里有漏洞,真的就 直接用胶带来补"漏洞"。

Mark 1 的指令集非常原始,甚至没有 JUMP 指令,如果代码要跑不止一次,得把带子的两端连起来做成循环。换句话说,给 Mark 1 编程简直是噩梦!

战后,霍普继续在计算机前沿工作,为了释放电脑的潜力,她设计了一个高级编程语言,叫"算术语言版本 0",简称"A-0" 。

汇编与机器指令是一一对应的,但一行高级编程语言 可能会转成几十条二进制指令。为了做到这种复杂转换 Hopper 在 1952 年创造了第一个编译器,编译器专门把高级语言 转成低级语言,比如汇编或机器码(CPU 可以直接执行机器码)。

谢了 思想泡泡

尽管"使编程更简单"很诱人,但很多人对霍普的点子持怀疑态度。她曾说 “我有能用的编译器,但没人愿意用,他们告诉我计算机只能做算术,不能运行程序”。

但这个点子是好的,不久,很多人尝试创造新编程语言 - 如今有上百种语言!

可惜的是,没有任何 A-0 的代码遗留下来,所以我们用 Python 举例(一门现代编程语言)。

假设我们想相加两个数字,保存结果。记住,如果用汇编代码,我们得从内存取值,和寄存器打交道,以及其他底层细节,但同样的程序可以用 Python 这样写:

……

不用管寄存器或内存位置 - 编译器会搞定这些细节,不用管底层细节。

程序员只需要创建 代表内存地址的抽象,叫 “变量” ,给变量取名字,现在可以把两个数 存在变量里,这里取名 A 和 B, 实际编程时你可以随便取名;然后相加两个数,把结果存在变量 C 。底层操作时,编译器可能把变量 A 存在寄存器 A ,但我不需要知道这些!眼不见心不烦 !😼 这是个重要历史里程碑,但 A-0 和之后的版本没有广泛使用。

高级程序语言

FORTRAN,名字来自 “公式翻译”(Formula Translation),这门语言数年后由 IBM 在 1957 年发布,主宰了早期计算机编程。

John Backus, the FORTRAN project director, FORTRAN 项目总监 John Backus 说过,“我做的大部分工作都是因为懒,我不喜欢写程序,所以我写这门语言,让编程更容易”

你懂的,典型的"懒人",😎 创造自己的编程语言。

平均来说,FORTRAN 写的程序,比等同的手写汇编代码短 20 倍,然后 FORTRAN 编译器会把代码转成机器码。人们怀疑性能是否比得上手写代码,但因为能让程序员写程序更快,所以成了一个更经济的选择,运行速度慢一点点,编程速度大大加快。

当时 IBM 在卖计算机,因此最初 FORTRAN 代码只能跑在 IBM 计算机上。1950 年代大多数编程语言和编译器只能运行在一种计算机上,如果升级电脑,可能要重写所有代码!因此工业界,学术界,政府的计算机专家在 1959 年组建了一个联盟 - 数据系统语言委员会,Grace Hopper 担任顾问,开发一种通用编程语言,可以在不同机器上通用,最后诞生了一门高级,易于使用,“普通面向商业语言”,简称 COBOL(Common Business-Oriented Language) 。

为了兼容不同底层硬件,每个计算架构需要一个 COBOL 编译器。最重​​要的是,这些编译器都可以接收相同 COBOL 代码,不管是什么电脑,这叫"一次编写,到处运行" 。如今大多数编程语言都是这样,不必接触 CPU 特有的汇编码和机器码,减小了使用门槛。

在高级编程语言出现之前,编程只是计算机专家和爱好者才会做的事,而且通常是主职,但现在,科学家,工程师,医生,经济学家,教师等等,都可以把计算机用于工作。

感谢这些语言!

计算机科学从深奥学科 变成了大众化工具,同时,编程的抽象也让计算机专家,现在叫"专业程序员",制作更复杂的程序,如果用汇编写可能要上百万行。

当然,计算机的历史没有在 1959 年结束,编程语言设计的黄金时代才刚刚开始,和硬件一起飞速发展。

In the 1960s, we had languages like ALGOL, LISP and BASIC. 在 1960 年代,有 ALGOL, LISP 和 BASIC 等语言,70 年代有:Pascal,C 和 Smalltalk ,80 年代有:C++,Objective-C 和 Perl ,90 年代有:Python,Ruby 和 Java ,新千年 Swift, C#, Go 在崛起 。 有些语言你可能听起来耳熟 - 很多现在还存在,你现在用的浏览器很可能是 C++ 或 Objective-C 写的。

我刚才说的编程语言名字只是冰山一角,新的编程语言在不断诞生。新语言想用更聪明的抽象,让某些方面更容易或更强大,或利用新技术和新平台带来的优势,让更多人能快速做出美妙的事情。许多人认为编程的"圣杯"是直接用英文,直接对计算机说话,然后它会理解并执行,这种智能系统目前只存在于科幻小说,“2001:太空漫游” 的粉丝可能没什么意见。

现在你理解了编程语言,接下来几集我们会深入了解编程语言和用语言写的软件,是怎么做到那些酷事。

下周见。