小孩子又回来啦！
狗哥的疑惑
狗哥是一位大一新生。
老师在C语言课程上写了一段程序：
#include <stdio.h>int main(void){printf("HelloWorld!\n");return 0;}
老师说：这是我们学习的第一个C语言程序，这个程序的功能极其简单，就是向显示器上输出一行字符：“Hello World”。
我们可以打开任意一个文本编辑器，比方说记事本，然后把上述文本复制进去，然后把它以文件的形式保存到硬盘上就算是编程完成了，我们这里可以给这个保存程序的文件任意起个名，比方说就叫helloworld.c
吧（.c这个扩展名也不是必须的，只是别人看到这个扩展名后可以知道这是一个保存着C语言程序的文件罢了）。
狗哥说：我在玩儿英雄联盟的时候，都是直接双击一个叫Client.exe
的程序就可以玩了：
为啥这次双击这个helloworld.c
文件后，却打开了文本编辑器？这个用C语言编的helloworld.c
程序和Client.exe
不是一种程序吗？是不是我把helloworld.c
的后缀名改成exe
就好了呢？
老师说：不不不，把helloworld.c
改成helloworld.exe
仍然不能运行。其实helloworld.c
和Client.exe
不是一种程序。helloworld.c
是给人看的程序，本质上就是一个纯文本文件，而Client.exe
包含若干条机器指令，CPU会读取这些指令并执行它们。
狗哥说：老师，我刚入学，你说的话有点儿难懂喔，什么是CPU，啥是个机器指令，机器指令是干啥的？
老师说：那我们现在就不讲C语言程序了，先来看看编程的本质到底是在干什么。
程序员的视角——存储器
编程其实就像是在玩游戏。
你肯定玩过扫雷游戏吧：
扫雷玩家面对的是许许多多的小格子，其中一些格子下面藏着地雷，有些没有藏，如果你点击某个背后是地雷的小格子的话，就GAME OVER了。
程序员玩家在玩编程游戏时，面对的也是许许多多的类似的小格子，不过这些小格子并不是用来藏地雷的，是用来存储数据的。比方说下边是一个4行×4列小格子示意图：
为了很容易的找出某个格子，我们会给每个格子分配一个编号。比方说我们给上图所示的16个格子分别编一个号：
小贴士：这里需要大家注意一下，在计算机中我们通常都是从0开始编号的。
习惯上，我们把格子的编号称作该格子的地址
，所以上边16个格子的地址分别是0～15
。
另外，在画图展示的时候，我们更习惯将这些格子放到一列中：
这些格子的组合被称作存储器
（memory，更多的地方翻译成内存，不过小孩子觉得存储器
更合适）。
上图中的每一个格子可以被称作存储器的一个存储单元
。存储单元中存储的数据是二进制形式的，每个存储单元可以存储的二进制位个数也被称作存储单元的大小
。存储单元的大小是人为规定的，不过现在用的计算机中存储器的存储单元大小一般是8个二进制位，也称作1个字节。
程序员的任务就是向存储器
中填入内容，填的内容可以被大致分为两类：
1.指令 2. 数据
数据
好理解，比方说我们班级同学的身高、体重、考试成绩这些统统都可以被称作数据
。在计算机中，我们这里所说的数据
本质上数据就是一个二进制数字。由于1个存储单元仅包含8个二进制位，能表示的数字范围太小，如果我们有存储较大数字的需求，可以使用多个存储单元来共同存储1个数字。
但是指令
该怎么理解呢？其实指令
就是用来指挥计算机的硬件设备来做一些事情。除了存储器
，计算机的另一个十分重要的硬件设备就是CPU
，CPU负责将指令从存储器中读出并执行，做一些诸如加减乘除之类的运算操作。
在我们深入了解指令
之前，我们得先了解一下这个CPU对我们程序员有什么影响。
程序员的视角——CPU
CPU的主要功能是完成运算，比方说将两个二进制数加起来得到加和。我们把CPU一次处理数据的最大位数称作CPU的位数，也称作一个字（word）。比方说CPU最多支持一次对两个32位的二进制数进行运算，那么我们就把这个CPU称作32位CPU
。
虽说CPU内部的硬件电路十分复杂，但那是硬件工程师的事情。对于程序员来说，我们只关注CPU内部的若干寄存器。
小贴士：寄存器是一种特殊的存储设备，读写寄存器的速度非常快，比我们前边所说的存储器要强很多。
在32位CPU中，程序员所能使用的每个寄存器的位数也都是32位（即1个寄存器可以存储32个二进制位）。比方说某个CPU中包含16个程序员可以使用的寄存器：
这16个寄存器分别被命名为R0～R15
，这些寄存器的组合也被称作寄存器文件
（Register File）或者寄存器组
(Register Set)。
程序员的任务
存储器
（memory）和寄存器文件
（register file）都属于存储二进制位的设备，对于程序员来说，大家只需要知道它们的两种区别就好了：
•寄存器文件的读写速度非常快，它是CPU内部的存储设备；存储器的读写速度比寄存器文件慢很多，一般在CPU外部单独存在。
•寄存器文件不能做的很大，一般CPU中包含1个、几个、十几个或者几十个供程序员使用的寄存器；存储器
的容量一般很大，可以存储几十亿甚至上百亿字节的数据。
下边就该计算机指令登场了！指令本质上也是一串二进制数据，通常可以分为操作码
和操作数
两个部分：
其中操作码
表示该条指令是要完成什么功能，操作数
用来表示该指令操作的数据。操作码
是一条指令中必须的，有的指令可以没有操作数，有的指令也可以有多个操作数。
一条指令占用的存储空间大小可以是固定的，也可以是不固定的。比方说在现实生活中MIPS32的CPU的指令就占用固定的4个字节大小，而Intel公司的x86系列CPU的指令就占用1～15个字节不等。
CPU提供的指令主要完成下边4个方面的任务：
加载任务
简称load：将存储器
中的数据加载到寄存器文件
中的某个寄存器中。
很显然，为完成加载任务
，我们需要在指令中至少指定2种操作数：
•要读取存储器中哪个地址的数据。
•要将存储器中的数据加载到哪个寄存器中。
比方说在MIPS32中，我们经常使用下边的指令来完成任务1
：
其中op部分代表操作码，rt部分代表要将数据写入哪个寄存器中。base和offset部分共同决定该指令是要读取哪个CPU地址处的数据。我们详细看一下这些指令的作用：
•lb指令：全称为Load Byte。表示加载一个字节的有符号数据到目的寄存器中。
小贴士：
由于MIPS32中的寄存器都是32位的，加载一个字节的数据到寄存器的低8位后，其余高位需要使用符号扩展进行填充。
•lbu指令：全称为Load Byte Unsigned。表示加载一个字节的无符号数据到目的寄存器中。
•lh指令：全称为Load Halfword。表示加载半个字，也就是2个字节的有符号数到目的寄存器中。
•lhu指令：全称为Load Halfword Unsigned。表示加载半个字，也就是2个字节的无符号数到目的寄存器中。
•lw指令：全称为Load Word。表示加载1个字，也就是4个字节的数据到目的寄存器。由于目的寄存器也是4个字节大小，所以就不需要进行高位扩展了。
写回任务
简称store：将寄存器文件
中某个寄存器中的数据写回到存储器
中。
比方说MIPS32提供了sb、sbu、sh、slhu、sw等指令。
跳转任务
简称jump：完成某个需求可能需要很多条指令，有时需要直接跳转到某条指令执行，或者先判断一下某些条件是否成立，如果成立再跳转到某条指令执行。
比方说MIPS提供了jr、beq、blez等指令。
运算任务
简称operate：对寄存器文件或者存储器中的数据进行运算，结果再写回寄存器文件或存储器中。
运算任务
属于CPU最核心的任务，就是进行运算，这里包括算术运算和逻辑运算，我们看一下MIPS32中支持的一些逻辑运算指令：
我们分别看一下它们的用途：
•and指令用于将rs和rt寄存器中的数据进行与运算，将结果写到rd寄存器中。
•or指令用于将rs和rt寄存器中的数据进行或运算，将结果写到rd寄存器中。
•xor指令用于将rs和rt寄存器中的数据进行异或运算，将结果写到rd寄存器中。
•nor指令用于将rs和rt寄存器中的数据进行同或运算，将结果写到rd寄存器中。
•andi指令用于将16位立即数imm进行0扩展为32位，然后与rs寄存器中的数据进行与运算，将结果写到rd寄存器中。
•ori指令用于将16位立即数imm进行0扩展为32位，然后与rs寄存器中的数据进行或运算，将结果写到rd寄存器中。
•xori指令用于将16位立即数imm进行0扩展为32位，然后与rs寄存器中的数据进行异或运算，将结果写到rd寄存器中。
小贴士：
某些CPU，比如x86系列CPU，还支持对寄存器和某个CPU地址对应的数据进行运算的指令；某些指令集体系结构，比如PDP系列，还支持对两个CPU地址对应的数据进行运算的指令。而以MIPS仅支持对两个寄存器中的数据进行运算，这样做的目的是为了让CPU的硬件设计更加简单，单条指令的执行速度也更快。
程序员任务小结
我们这里篇幅有限，并不想深入介绍完全每个指令的格式以及它们的用途，大家只需要知道CPU提供了完成load、store、jump和operate四大任务相应的指令，我们只需要将这些指令填充到存储器
的存储单元中，CPU就可以自动的读取这些指令并执行它们。
由于存储器中的指令和数据可以随时改变，存储器
中填入的指令和数据也可以被称作软件
，而我们将指令和数据写入存储器中的过程也被称作编程
，进行编程的人也被称作程序员
，也就是屏幕前的你。
编译器
狗哥说：我现在已经大致理解了编程的本质，就是把指令和数据写到存储器中而已，指令用于完成load、store、jump和operate这几项任务。直接写指令就能编程的话，我们为啥还要学文本形式的C语言程序呢？
老师说：你还记得我们上边说的进行and运算的指令的操作码是啥码？
狗哥说：不记得了，这个得再返回头看看。
老师说：是吧，刚讲过就忘了，可见直接使用计算机指令编程序是多么麻烦的一件事情，所以之后有人就写了一个称作编译器
的软件，它可以读取我们写的文本形式的C语言程序，然后产生CPU可以执行的计算机指令。
狗哥说：那我明白了，就是我们写的C语言程序需要被翻译翻译。
最后一个疑惑
狗哥说：有一个疑惑啊，程序不是以文件的形式存储在硬盘里的么，这个硬盘就是我们上边所说的存储器
吗？
老师说：不是的哈，读写硬盘的速度十分缓慢，所以CPU一般不直接从硬盘中读取指令并执行。像硬盘这样的速度超慢，但容量大、价格低的存储设备我们一般将其称作辅助存储器
（Secondary Memory），简称辅存
，或者外存
。而CPU其实是从所谓的主要存储器
（Main Memory），简称主存，或者内存
中读取指令和数据的，你可以把它当作我们平时网上购买的内存条
。
狗哥说：那这里又有问题了，既然程序原先是保存在外存
中的，那怎么把它弄到内存
呢？
老师说：你还有完没完，该下课了。这涉及到CPU和I/O设备如何通信的问题，下次再说，拜拜>_>
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