文章目录

前言

在学习C语言之前， 我们来讨论一个更大的话题。什么是计算机语言？

1、日常生活中使用自然语言

顾名思义，计算机语言类似于汉语、英语，是一种用来传递信息的工具。

例如日常生活中，使用汉语将自己想表达的思想传递给他人。

2、能否用自然语言和计算机“说话”？

我们知道计算机最初的用途就是用于计算数据，我们以一个最简单的例子来看。

例如我想知道123+456等于多少？

我可以用汉语对计算机进行提问嘛？

你肯定会回答说，可以啊，现在的语音助手完全可以实现这种功能。例如，apple的siri，小米的小爱同学，百度的小度，淘宝的天猫精灵。

看似简单的一问一答，事实上，却在计算机内部，却经历了一个非常复杂的步骤。下面是一个非常概括的流程图，大概说明这里面经历了哪些步骤。

这其中的一个非常重要的环节是：通过自然语言识别和理解算法，让计算机知道了我们需要运行加法程序。接着把123和456放到计算程序里面，让它们相加。

得益于现代的人工智能学科的发展，让计算机看起来似乎可以理解我们日常生活中使用的自然语言了。然而实际上，计算机却只是忠实地执行了固定的程序。

3、怎样直接和计算机“说话”？

我们暂时不探讨怎样让计算机理解自然语言，我们把中间的步骤去掉，怎样让计算机能够直接理解我们想表达的内容呢？

很简单，答案就是：通过编程语言。

通过编程语言，我们可以键入对应语法，让机器通过代码来理解我们的意图。

4、探究CPU内部工作原理

要和计算机直接沟通，那么我们就必须知道计算机是如何思考的。让我们进入计算机的内部，看一看被称为计算机的核心CPU（中央处理器，central processing unit），是如何工作的。

CPU由三部分构成：

然而，寄存器能够存储的信息量很少，仅仅是当前工作所必要的。话说鱼的记忆只有7秒，CPU的记忆恐怕是更短。总不能，CPU做一步操作，就把上一步操作的结果给忘了吧。

因此，我们需要内存来配合CPU进行数据操作。

数据大部分几乎都存储在内存上，仅有当前正在处理的数据，才放到CPU的寄存器组上，数据通过数据总线，在CPU和内存上进行传输。

接下来，我们来看看，将两个数据相加会经历哪些步骤。

5、最接近计算机运行本质的语言—机器语言

在上一节中，我们知道了让计算机运行两个数的加法需要进行4个步骤。那我们把这4个步骤告诉计算机，就可以实现加法操作了。但是，计算机内部就是一大堆晶体管，每个晶体管有开和关两个状态。

一般我们用1来表示开，用0来表示关。也就是说，计算机能存储的是只两种状态的数据，而十进制拥有0到9十种状态。很显然，十进制数据的状态太多，没法在计算机内表示。所以，首先我们把123和456转换为二进制吧。

123的二进制为1111011
456的二进制为111001000

现在123和456被只有两种状态的二进制所表示了，满足计算机内部也只有两种状态的情景了。简化得来说，123在计算机内部，被存储为晶体管状态—开开开开关开开。456被存储为晶体管状态—开开开关关开关关关关。

归根结底，计算机能存储和操作的是晶体管的状态组合，而这种状态组合中，每一个晶体管只有两种状态，与二进制数据一一对应。而二进制又可以被转换为十进制。因此，计算机间接得计算了十进制数据。

数据在计算机中被存储为了晶体管状态，要完成运算，必须对数据进行操作。
在前面的步骤中，我们做了两类操作。

一类操作是移动数据。例如，将加数放入寄存器1。
另一类是激活加法电路。例如，将寄存器1，寄存器2的数据相加，并放入寄存器3。

很显然，要执行什么操作也必须以晶体管的开关状态来表示。我们很自然得会把它们也写成二进制形式，称之为操作码。

而操作数指明操作的更详细信息，例如，需要操作的数据本身，或者哪个寄存器包含需要操作的数据，哪个存储单元用于接收改数据。

操作码+操作数为一条指令。

操作码与操作数在数据上没有本质上的区别，它们都是二进制的数据。例如:CPU每次读取16位二进制，将前3个二进制，当做操作码。其后都作为操作数。

这种以二进制表示对应的晶体管状态的方式，我们将其称之为机器语言。

当然，在纸上写好二进制之后，我们必须让其转化为晶体管状态。这里就设计到输入输出设备了，在早期人们会在纸带上打孔，用是否打孔来代表一个晶体管状态。之后，将打好孔的纸带放到机器中读取，将其转换为晶体管状态。如今，我们直接使用键盘在屏幕上输入即可。

6、用助记词来优化机器语言–汇编语言

单纯用0和1来写程序非常的困难。一是操作码难于记忆，二是二进制的数据十分冗长。

于是，人们把操作码用一系列的英文单词来表示，将二进制写成十六进制。这就产生了汇编语言。

例如，把移动操作码，用单词mov来替代。把激活加法电路，用单词add来替代。

这样程序更易于人们理解。

这样也必然衍生出一个问题，计算机无法直接处理英语和十进制。因此，需要一个汇编器来作为“翻译”，将汇编语言“翻译”成由二进制表示的晶体管状态。

7、低级语言依赖CPU的具体实现

在编写机器语言或汇编语言时必须要注意：不同类型的CPU内部工作细节不尽相同。

个人电脑采用的是Intel、AMD出品CPU。而移动设备常常采用ARM系列的CPU。

在写机器语言时，会遇到很多差异性的问题。

例如，寄存器的数量、作用不同，操作码的二进制表示不一致。或者，在一种CPU上有某种类型的操作码，但是在另一种CPU上却没有这种类型的操作码。而对应效果的操作，在后者上是由其他几种操作码+操作数组成的指令，分几步完成。

再看看汇编语言的情况呢？

汇编语言是通过注记词来替代二进制表示的，如果用面向不同类型CPU的汇编器来“翻译”，确实可以解决一部分的操作码二进制不一样的差异。例如，两类CPU上均有mov操作，但是二进制表示不同，一个是0010，一个是1001。那么使用对应的汇编器来“翻译”，可以解决这个问题。

但是，这仅仅是一小部分差异。因此，汇编语言也必须严格按照目标CPU来差异化编写程序，并且用对应的汇编器来“翻译”。

不管是机器语言还是汇编，在写程序前必须关注CPU的内部细节。运行在一种类型CPU上的代码，不能直接在另一种类型的CPU上直接运行。需要将其根据另一类CPU的工作细节进行修改，才能正常运行。

8、不依赖具体指令集的语言–高级语言

现在你可以用机器语言或汇编语言写计算机程序了。

如果你觉得为什么计算机语言如此复杂，那就对了。机器语言或汇编语言忠实地描述了计算机的详细工作状态。

因此，用机器语言或汇编写出来的计算机代码，详细操作了太多的细节了。

对人来说是十分不友好的，难以编写，调试。并且，也难以在多种类型的CPU上移植。

那怎么办呢？能不能有一个更好的办法，这时候高级语言运应而生。

在机器上建立一个抽象层，通过抽象层表达意图。而避免直接描述具体的CPU工作细节。

我们用C语言来示例写上面讨论的加法问题。代码如下：

在C语言中，我们声明了3个变量。将a赋值为123，b赋值为456。将a、b相加，加法的结果赋值给c。

可以看到，在C语言中，我们不关心a，b，c存在内存上的哪个地方。也不用加法操作码add那些的。反而，C语言的表述方法和人类的认知十分接近。

和汇编一样，计算机也无法直接理解高级语言，并且C语言不描述CPU具体工作细节，而是描述了一个抽象过程。没法像汇编那样简单的把英文根据目标CPU替换成二进制状态了。而是通过两个更为复杂的过程，将高级语言转换为机器语言，这两个步骤分别为“编译”和“链接”。

这样一来，高级语言与计算机的硬件结构及指令系统无关。在个人电脑上编写好的程序，也可以拿到移动设备上来使用。并且，它有更强的表达能力，可方便地表示数据的运算和程序的控制结构，能更好的描述各种算法，而且容易学习掌握。

C语言就是众多高级语言中，应用最广的一款语言。

如果您喜欢我的文章，可以关注 @小杰码匠 专栏，2021全新C语言系列课程等着你~

对于文章有任何问题，可以加入QQ群：136522116 。在这里可以寻找志同道合的伙伴，各路编程大神为你解答疑问，我们等着你哦！