1. 日常生活中使用自然語言

顧名思義，計算機語言類似于漢語、英語，是一種用來傳遞信息的工具。

例如日常生活中，使用漢語將自己想表達的思想傳遞給他人。

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2. 能否用自然語言和計算機“說話”？

我們知道計算機最初的用途就是用于計算數據，我們以一個最簡單的例子來看。

例如我想知道123+456等于多少？

我可以用漢語對計算機進行提問嗎？

你肯定會回答說，可以啊，現在的語音助手完全可以實現這種功能。例如，apple的siri，小米的小愛同學，百度的小度，淘寶的天貓精靈。

看似簡單的一問一答，事實上，卻在計算機內部，卻經歷了一個非常復雜的步驟。下面是一個非常概括的流程圖，大概說明這里面經歷了哪些步驟。

這其中的一個非常重要的環節是：通過自然語言識別和理解算法，讓計算機知道了我們需要運行加法程序。接著把123和456放到計算程序里面，讓它們相加。

得益于現代的人工智能學科的發展，讓計算機看起來似乎可以理解我們日常生活中使用的自然語言了。然而實際上，計算機卻只是忠實地執行了固定的程序。

3. 怎樣直接和計算機“說話”？

我們暫時不探討怎樣讓計算機理解自然語言，我們把中間的步驟去掉，怎樣讓計算機能夠直接理解我們想表達的內容呢？

很簡單，答案就是：通過編程語言。

通過編程語言，我們可以鍵入對應語法，讓機器通過代碼來理解我們的意圖。

4. 探究CPU內部工作原理

要和計算機直接溝通，那么我們就必須知道計算機是如何思考的。讓我們進入計算機的內部，看一看被稱為計算機的核心CPU（中央處理器，central processing unit），是如何工作的。

CPU由三部分構成：

• 算術、邏輯單元：對數據執行運算(例如加法、減法)的電路。
• 控制單元：協調機器活動的電路。
• 寄存器組 ：數據臨時存儲。

然而，寄存器能夠存儲的信息量很少，僅僅是當前工作所必要的。話說魚的記憶只有7秒，CPU的記憶恐怕是更短。總不能，CPU做一步操作，就把上一步操作的結果給忘了吧。

因此，我們需要內存來配合CPU進行數據操作。

數據大部分幾乎都存儲在內存上，僅有當前正在處理的數據，才放到CPU的寄存器組上，數據通過數據總線，在CPU和內存上進行傳輸。

接下來，我們來看看，將兩個數據相加會經歷哪些步驟。

1. 從內存中取出一個加數放到一個寄存器中。
2. 從內存取出另一個加數，放到另一個寄存器中。
3. 激活算術、邏輯單元中的加法電路，以前面兩步的寄存器作為輸入，用另一個寄存器存放結果。
4. 將結果存放到內存中。

5. 最接近計算機運行本質的語言——機器語言

在上一節中，我們知道了讓計算機運行兩個數的加法需要進行4個步驟。那我們把這4個步驟告訴計算機，就可以實現加法操作了。但是，計算機內部就是一大堆晶體管，每個晶體管有開和關兩個狀態。一般我們用1來表示開，用0來表示關。也就是說，計算機能存儲的是只兩種狀態的數據，而十進制擁有0到9十種狀態。很顯然，十進制數據的狀態太多，沒法在計算機內表示。所以，首先我們把123和456轉換為二進制吧。

123的二進制為1111011 456的二進制為111001000

現在123和456被只有兩種狀態的二進制所表示了，滿足計算機內部也只有兩種狀態的情景了。簡化得來說，123在計算機內部，被存儲為晶體管狀態---開開開開關開開。456被存儲為晶體管狀態---開開開關關開關關關關。

歸根結底，計算機能存儲和操作的是晶體管的狀態組合，而這種狀態組合中，每一個晶體管只有兩種狀態，與二進制數據一一對應。而二進制又可以被轉換為十進制。因此，計算機間接地計算了十進制數據。

數據在計算機中被存儲為了晶體管狀態，要完成運算，必須對數據進行操作。 在前面的步驟中，我們做了兩類操作。

一類操作是移動數據。例如，將加數放入寄存器1。 另一類是激活加法電路。例如，將寄存器1，寄存器2的數據相加，并放入寄存器3。

很顯然，要執行什么操作也必須以晶體管的開關狀態來表示。我們很自然地會把它們也寫成二進制形式，稱之為操作碼。

而操作數指明操作的更詳細信息，例如，需要操作的數據本身，或者哪個寄存器包含需要操作的數據，哪個存儲單元用于接收該數據。

操作碼+操作數為一條指令。

操作碼與操作數在數據上沒有本質上的區別，它們都是二進制的數據。例如:CPU每次讀取16位二進制，將前3個二進制，當作操作碼。其后都作為操作數。

這種以二進制表示對應的晶體管狀態的方式，我們將其稱之為機器語言。

當然，在紙上寫好二進制之后，我們必須讓其轉化為晶體管狀態。這里就設計到輸入輸出設備了，在早期人們會在紙帶上打孔，用是否打孔來代表一個晶體管狀態。之后，將打好孔的紙帶放到機器中讀取，將其轉換為晶體管狀態。如今，我們直接使用鍵盤在屏幕上輸入即可。

6. 用助記詞來優化機器語言——匯編語言

單純用0和1來寫程序非常的困難。一是操作碼難于記憶，二是二進制的數據十分冗長。 于是，人們把操作碼用一系列的英文單詞來表示，將二進制寫成十六進制。這就產生了匯編語言。

例如，把移動操作碼，用單詞mov來替代。把激活加法電路，用單詞add來替代。

這樣程序更易于人們理解。

這樣也必然衍生出一個問題，計算機無法直接處理英語和十進制。因此，需要一個匯編器來作為“翻譯”，將匯編語言“翻譯”成由二進制表示的晶體管狀態。

7. 低級語言依賴CPU的具體實現

在編寫機器語言或匯編語言時必須要注意：不同類型的CPU內部工作細節不盡相同。個人電腦采用的是Intel、AMD出品CPU。而移動設備常常采用ARM系列的CPU。

在寫機器語言時，會遇到很多差異性的問題。例如，寄存器的數量、作用不同，操作碼的二進制表示不一致。或者，在一種CPU上有某種類型的操作碼，但是在另一種CPU上卻沒有這種類型的操作碼。而對應效果的操作，在后者上是由其他幾種操作碼+操作數組成的指令，分幾步完成。

再看看匯編語言的情況呢？ 匯編語言是通過注記詞來替代二進制表示的，如果用面向不同類型CPU的匯編器來“翻譯”，確實可以解決一部分的操作碼二進制不一樣的差異。例如，兩類CPU上均有mov操作，但是二進制表示不同，一個是0010，一個是1001。那么使用對應的匯編器來“翻譯”，可以解決這個問題。但是，這僅僅是一小部分差異。因此，匯編語言也必須嚴格按照目標CPU來差異化編寫程序，并且用對應的匯編器來“翻譯”。

不管是機器語言還是匯編，在寫程序前必須關注CPU的內部細節。運行在一種類型CPU上的代碼，不能直接在另一種類型的CPU上直接運行。需要將其根據另一類CPU的工作細節進行修改，才能正常運行。

8. 不依賴具體指令集的語言——高級語言

現在你可以用機器語言或匯編語言寫計算機程序了。 如果你覺得為什么計算機語言如此復雜，那就對了。機器語言或匯編語言忠實地描述了計算機的詳細工作狀態。 因此，用機器語言或匯編寫出來的計算機代碼，詳細操作了太多的細節了。 對人來說是十分不友好的，難以編寫，調試。并且，也難以在多種類型的CPU上移植。

那怎么辦呢？能不能有一個更好的辦法，這時候高級語言運應而生。在機器上建立一個抽象層，通過抽象層表達意圖。而避免直接描述具體的CPU工作細節。

我們用C語言來示例寫上面討論的加法問題。代碼如下：

int a, b, c;a = 123;b = 456;c = a + b;printf("%d\n", c);

在C語言中，我們聲明了3個變量。將a賦值為123，b賦值為456。將a、b相加，加法的結果賦值給c。 可以看到，在C語言中，我們不關心a，b，c存在內存上的哪個地方。也不用加法操作碼add那些的。反而，C語言的表述方法和人類的認知十分接近。

和匯編一樣，計算機也無法直接理解高級語言，并且C語言不描述CPU具體工作細節，而是描述了一個抽象過程。沒法像匯編那樣簡單的把英文根據目標CPU替換成二進制狀態了。而是通過兩個更為復雜的過程，將高級語言轉換為機器語言，這兩個步驟分別為“編譯”和“鏈接”。

這樣一來，高級語言與計算機的硬件結構及指令系統無關。在個人電腦上編寫好的程序，也可以拿到移動設備上來使用。并且，它有更強的表達能力，可方便地表示數據的運算和程序的控制結構，能更好的描述各種算法，