Assembly language programming

歡迎來到機器的心臟！

你好！今天我們將深入探討電腦的內部世界。你有沒有想過，電腦究竟是如何理解像 x = 5 + 2 這樣的程式碼呢？電腦並不使用 Python 或 Java；它們使用的是電訊號的語言——二進位（Binary）（即 0 和 1）。

在本章中，我們將學習組合語言（Assembly Language）。你可以把它想像成人類世界與電腦底層電訊號之間的「橋樑」。它強大且快速，讓你能夠完全掌控處理器（Processor）。如果剛開始覺得它看起來有點「機器化」也不用擔心——一旦你掌握了其中的規律，這就像是在解一個有趣的邏輯謎題！

1. 機器碼與組合語言

在編寫任何程式之前，我們需要先了解「低階（Low-level）」語言的兩個層級：

機器碼（Machine Code）：這是處理器唯一能直接理解的東西，完全由二進位（例如 01101010）組成。對人類來說，要在不犯錯的情況下閱讀或編寫機器碼幾乎是不可能的。

組合語言（Assembly Language）：為了讓事情變得簡單，我們使用助憶碼（Mnemonics）。助憶碼是一種簡短、易於記憶的縮寫，代表了特定的機器碼指令。例如，與其輸入一長串二進位代碼來相加兩個數字，我們只需寫下 ADD。

重點複習：
• 機器碼 = 1 和 0 的組合（給電腦看）。
• 組合語言 = 像 ADD 或 LDR 這樣的助憶碼（給人類看）。
• 組譯器（Assembler） = 將組合語言轉換為機器碼的軟體。

你知道嗎？每一種不同類型的處理器（例如你手機裡的處理器與筆電裡的處理器）都有其專屬的指令集（Instruction Set）。這意味著為某種處理器編寫的組合語言程式，可能無法在另一種處理器上執行！

2. 指令格式

每一條組合語言指令通常分為兩個主要部分。你可以把它想像成一個簡單的句子：包含一個動詞和一個名詞。

操作碼（Opcode，即動詞）

操作碼（Operation Code 的縮寫）告訴處理器要做什麼。常見的例子包括 ADD（相加）、SUB（相減）或 MOV（移動）。

運算元（Operand，即名詞）

運算元告訴處理器對什麼進行操作。它可以是一個固定的數字、一個記憶體位址，或是一個暫存器（Register，即 CPU 內超高速的小型儲存空間）。

比喻：如果你正在按照食譜做菜，指令是「切洋蔥」，那麼操作碼就是「切」，而運算元就是「洋蔥」。

關鍵總結： 指令 = 操作碼（動作）+ 運算元（資料或位置）。

3. 定址模式：尋找資料

「定址模式（Addressing Modes）」告訴 CPU 如何解讀運算元。Oxford AQA 要求你掌握三種特定的類型。不用擔心，我們用一個比喻來說明！

1. 立即定址（Immediate Addressing）：
運算元本身就是你要使用的實際數值。
例子： ADD #5（直接將數字 5 相加）。
比喻： 有人直接遞給你 \( \$5 \) 現金。你手裡立刻就有了這些錢！

2. 直接定址（Direct Addressing）：
運算元是一個記憶體位址。CPU 必須前往該位址才能找到數值。
例子： LDR R1, 101（前往記憶體位置 101，將其中的內容載入到暫存器 R1）。
比喻： 有人給你一個置物櫃號碼。你必須親自去那個置物櫃才能拿到錢。

3. 間接定址（Indirect Addressing）：
運算元是一個暫存器，該暫存器中存放的是資料的記憶體位址。
例子： 如果暫存器 R2 裡存著數字「200」，而你使用間接定址，CPU 會先前往位置 200，才能找到真正的資料。
比喻： 你拿到一張紙條，上面寫著：「置物櫃的鑰匙在藍色盒子裡。」你得先去藍色盒子找到鑰匙，才能前往相應的位置拿到錢。

常見錯誤： 學生常混淆「直接定址」與「立即定址」。記住：立即定址直接使用該數字（通常標有 # 號），而直接定址則將數字視為一個「門牌號碼」，用來尋找另一個數值。

4. OxfordAQA 組合語言指令集

在考試中，你將會使用基於 ARM 處理器的特定指令集。以下是你必須掌握的最重要指令：

資料傳輸

• LDR (Load)： 從記憶體中複製一個值到暫存器。
• STR (Store)： 將一個值從暫存器複製到記憶體中。
• MOV (Move)： 將一個值從一個地方複製到另一個地方（例如在兩個暫存器之間）。

算術與邏輯

• ADD： 將兩個值相加。
• SUB： 將兩個值相減。
• AND, OR, NOT, XOR： 執行位元運算。
• LSL (Logical Shift Left)： 將位元向左移（乘以 2）。
• LSR (Logical Shift Right)： 將位元向右移（除以 2）。

程式流程（分支）

通常，CPU 會按順序一條接一條地執行指令。分支（Branching）允許程式「跳轉」到程式碼的其他部分。

• CMP (Compare)： 比較兩個值（通常在跳轉指令前使用）。
• B (Branch)： 無條件跳轉到特定標籤。
• BEQ / BNE： 條件跳轉（若相等則跳轉 / 若不相等則跳轉）。

• HALT： 停止程式執行。

5. 追蹤與編寫程式

當題目要求你「追蹤（trace）」一個程式時，你的角色就像是一台電腦。你需要一步步執行指令，並記錄暫存器與記憶體中的變化。

執行流程範例：
1. MOV R1, #10 （暫存器 R1 現在存有 10）。
2. MOV R2, #5 （暫存器 R2 現在存有 5）。
3. ADD R1, R1, R2 （將 R1 和 R2 相加，結果存回 R1。R1 現在是 15）。
4. STR R1, 100 （將數值 15 儲存到記憶體位置 100）。

記憶小撇步： 大多數指令都遵循此格式：目的位置（Destination）, 來源 1（Source 1）, 來源 2（Source 2）。排在第一個的暫存器幾乎總是存放「答案」的地方！

最終總結：重點複習

1. 組合語言是人類可讀的： 我們使用助憶碼（簡短詞彙）而不是二進位。
2. 指令結構： 每一條指令都有操作碼（指令內容）和運算元（資料或位置）。
3. 定址方式至關重要： 區分立即定址（直接用數字）、直接定址（用位址）和間接定址（用存放位址的暫存器）。
4. 暫存器速度極快： 組合語言的核心在於資料在暫存器與主記憶體（RAM）之間的移動。
5. 程式流程： 使用 CMP 和 Branch 指令在組合語言中實現「if 判斷」和「迴圈」。

如果剛開始覺得很難也不用擔心！組合語言是一種邏輯性極強的語言。一旦你習慣了手動將資料移入移出小盒子（暫存器）的概念，一切就會變得豁然開朗。繼續練習簡單的 ADD 和 MOV 指令吧！