第 8 章 組合語言和程式範例

程式規劃語言 高階語言 低階語言

高階語言特點 多對一翻譯 硬體獨立性 應用導向 通用 階層概念

低階語言特點 一對一翻譯 硬體相依性 系統導向 專用 無階層概念

階層概念 低階語言沒有明顯的階層概念。 低階語言想要建立階層概念，必須逐步地建構自己的階層機制。 電腦科學家Alan Perlis曾經說過： 因為大多數的應用程式無法直接控制底層硬體，所以某些程式規劃若涉及硬體細節時，就表示：使用的程式語言必須是低階語言，但低階語言會增加整體程式規劃的複雜度。

專用術語 組合語言 低階語言 專用於特定的處理器 組譯器 將組合語言翻譯成電腦硬體所認識的二進位碼 可與編譯器作一下比較

重要觀念 組合語言是低階語言，可以指出各種不同處理器的特點，比如：指令集、運算元定址、暫存器、…等，因此存在多少種處理器，就會存在多少種組合語言。

組合語言 想要把組合語言的程式，從某個處理器移植到另一個處理器時，必須改寫成另一種組合語言。 還好！大部分的組合語言都遵循著電腦結構的基本圖像，因此可以在最短的時間內，快速地學會其它的組合語言。

敘述格式 組譯器要求一行只能輸入一個指令，指令格式如下： 標記：操作碼 運算元1, 運算元2, … 標記（選項）用來標示敘述的位置 標記：操作碼 運算元1, 運算元2, … 標記（選項）用來標示敘述的位置 操作碼指出該指令想要執行的運算 運算元則指出參與運算的數值

操作碼名稱 大部分組合語言使用英文簡寫，當作操作碼，比如： 加法指令，英文全名為addition，組合語言簡寫為add。 分支指令，英文全名為branch，組合語言簡寫為b或br。 副程式呼叫指令，英文全名為jump to a subroutine，組合語言簡寫為jsr。

註解方式 為了增加這些指令的可讀性，設計師會適當地加入註解，來加以說明。 註解符號比如： 井字號（ # ） 分號（;） 雙斜線（//）

註解類型 註解可以是中文，也可以是英文。 通常有兩種類型： 區塊註解說明每一段程式碼的目的； 行註解則在每一行指令後，註記該行的細節。

區塊註解 #################################################### # Search linked list of free memory blocks to find a block # # of size N bytes or greater. Pointer to list must be in # # register 3, and N must be in register 4. The code also # # destroys the contents of register 5, which is used to # # walk the list #

行註解 loop_1: cmp r5,r0 # 測試表單是否已經達末端 bz notfnd # 如果確實到達末端，則前往notfnd標記處 ld r5,r3 # 載入表單位址到r5 loop_1: cmp r5,r0 # 測試表單是否已經達末端 bz notfnd # 如果確實到達末端，則前往notfnd標記處

運算元順序 不同的組合語言可能有不同的排列順序 範例如下： load把r3內容複製到r5，可能有二種排列： ld r5,r3 #右到左排列 程式設計師往往必須看過組合語言手冊，才能瞭解某些指令的運算元順序。

運算元直譯 組譯器會把組合語言翻譯成二進位碼。 本質上，”左至右”直譯法和”右到左”直譯法並沒有什麼差別，因為在翻譯期間，再重新排序運算元，即可。

暫存器名稱 暫存器名稱並沒有通用的標準。 常見的方式是使用r（或$ ）字母開頭，隨後加上數字，來編號暫存器，比如，暫存器10的表示法： reg10 r10 R10 $10

自行定義暫存器名稱 有些更彈性，組譯器可以讓程式設計師自行選擇暫存器名稱 範例： # # 自行定義暫存器名稱 # 自行定義暫存器名稱 r1 register 1 #定義r1等於暫存器1 r2 register 2 #定義r2等於暫存器2 r3 register 3 #定義r3等於暫存器3 r4 register 4 #定義r4等於暫存器4

有意義的暫存器名稱 程式設計師不一定使用制式名稱（像是r6），可以自行命名對自己程式更有意義的暫存器名稱，如下： # # 自行定義連結串列程式的暫存器名稱 listhd register 6 #定義listhd等於暫存器6 listptr register 7 #定義listptr等於暫存器7

運算元型態 大部分的處理器會提供多重運算元型態，比如：暫存器內容、立即值、記憶體參考、間接記憶體參考。 運算元型態可以使用特定的字元或符號，來指定記憶體或常數。 mov r2,r1 #複製r1的內容到r2 mov r2,(r1) #把r1當作記憶體指標，並且把其指向 #的記憶體內容複製到r2

程式範例和習慣用語 大部分高階語言具有明顯的型式要求 但低階的組合語言沒有任何的限制 組合語言空間廣泛，卻存有幾許繁瑣的枝微細節。 有經驗的程式設計師瞭解：一致性和清晰度的重要性。

條件指令

另一種條件指令

有限迴圈指令

無限迴圈指令

程序呼叫指令

引數傳輸 在組合語言中，引數如何傳輸給程序呢？ 組合語言通常依靠硬體，來傳輸引數。 比如，下列三種常見的硬體策略： 使用堆疊（記憶體內部），來傳輸引數。 使用暫存器視窗，來傳輸引數。 使用專用的引數暫存器，來傳輸引數。

對程式設計師的影響 由於組合語言在傳輸參數時，並沒有一種共同的標準，因此不同處理器可能使用各自發展的引數傳輸硬體，必要時，程式設計師甚至於可以使用不同於原先硬體機制的參數傳輸策略，來最佳化效能（比如：暫存器傳輸參數）。

參數程序呼叫 呼叫程序使用r1到r8，來傳輸引數。

函數呼叫指令 函數和程序有些相似 傳回值有多種建構的觀念，比如： 函數會有傳回值 程序不會有傳回值 傳回值有多種建構的觀念，比如： 運用堆疊 建立專用暫存器 使用通用暫存器 當函數執行ret指令，函數會把傳回值放到以上所指定的位置，等到結束函數後，呼叫程式才能取回該傳回值。

組合語言和高階語言的互動 高階程式可以直接呼叫組合語言所撰寫的程序或函數；組合語言程式也可以呼叫高階語言所撰寫的程序或函數。 為什麼要混合組合語言碼和高階程式碼呢？可能的原因： 底層電路硬體無法使用高階語言進行規劃 改善效能瓶頸 常見的情況就是：使用組合語言撰寫程序或函數，其它大部分程式則保留高階語言撰寫，最後由高階程式直接呼叫該組合語言所撰寫的程序或函數。

實作取捨 因為使用組合語言來撰寫應用程式，實在非常沒有開發效率，過程也相當複雜，因此大部分的情況下，組合語言只是輔助高階語言，局部強化某些不足的功能或進行效能的改善。

變數儲存指令 大部分的組合語言能讓程式設計師自行定義資料項目。 比如：宣告啟始變數或非啟始變數： .word .byte 或 .char .long

等效宣告範例

寫入初始值 .word和.long並非一般傳統的指令 這種變數儲存指令可以控制組譯器保留變數的儲存位置，寫入初始值，比如： x： .word 949

組譯器 組譯器是一種軟體 組譯器用來翻譯組合語言的程式，並將其轉譯成可執行的二進位碼。 一般組譯器使用兩階段組譯法 輸入為組合語言的原始程式 輸出則變成可執行的二進位碼 一般組譯器使用兩階段組譯法

組譯器和編譯器的差別 儘管，編譯器和組譯器兩者都把原始程式翻譯成等效的二進位碼，然而編譯器有更多的自由可以：選擇置放在暫存器的數值、等效解釋敘述（通常一個敘述多個二進位碼）、以及配置變數給記憶體；至於，組譯器則只是提供一對一的直接翻譯，一個原始程式的敘述會被翻譯成一個等效的二進位碼。

兩階段組譯法 組譯器的翻譯觀念遵循兩階段組譯法 為什麼需要兩階段組譯？ 第一組譯階段（first pass） 第二組譯階段（second pass） 為什麼需要兩階段組譯？ 程式內有許多指令涉及分支參考的標記 組譯器必須標明敘述的相關位址

組譯範例

組譯的一般觀念 組譯器通常會使用兩階段組譯法，來翻譯組合語言程式的二進位碼：在第一組譯階段，組譯器會指定每一個敘述的位置，等到第二組譯階段時，組譯器才能使用這些位置，來產生二進位執行碼。

組合語言的巨集指令 某些程式碼不斷地重複，程式設計師如果採用剪貼策略，將讓程式看起來更瑣碎、更煩心、更難規劃，容易發生錯誤。 避開程式碼重複規劃的方法，可以使用參數化巨集功能。 巨集功能必須先在原始程式上，加入兩個項目： 巨集定義（definitions） 巨集展開（expansions）

巨集關鍵字 大部分組合語言的巨集規劃細節雖然並不相同，但觀念相通。 比如，巨集使用特定的關鍵字來加以定義： marco endmacro 在這兩個關鍵字的中間，加入本文指令。

巨集範例

巨集展開範例

巨集展開的置換動作 巨集展開的置換動作和一般的程序（或副程式）呼叫不同，下列三點： 巨集宣告不同於程序（或副程式）的二進位執行檔 巨集展開會把完整的巨集本文指令，一個一個地插入程式內部。 巨集引數會被當作字串，取代對應的參數。

不正常的巨集展開

結論 組合語言是低階語言，融合處理器的硬體特性。 一個處理器至少會有一種組合語言；多種處理器有多種組合語言。 大部分組合語言遵循相似的基本結構 。 條件執行、條件分支； 有限迴圈、無限迴圈； 副程式呼叫、副程式返回； 引數傳數、返回位址儲存； 函數的傳回值。

結論（Cont.） 組譯器是一種翻譯軟體，對原始程式通常有兩個組譯階段： 組譯器使用巨集，幫助程式設計師避免重複程式碼的困擾。 第一階段是指定位址 第二階段則是產生執行碼 組譯器使用巨集，幫助程式設計師避免重複程式碼的困擾。 巨集展開器會使用本文置換法，重整原始程式，建立另外一個新的原始延伸程式，然而展開過程並不偵錯，因此有可能出現不正常的原始延伸程式。