如何培养对 LC-3 汇编代码的直觉？答案

【问题标题】：How to develop an intuition to code in LC-3 Assembly?如何培养对 LC-3 汇编代码的直觉？
【发布时间】：2021-06-18 10:46:54
【问题描述】：

我了解了 LC-3 的工作原理，但我终其一生都无法弄清楚如何在 LC-3 汇编中编写代码。我的目标是能够编写简单的程序，例如生成斐波那契数或对数组进行排序。

有人可以指点我学习这个的资源吗？我精通 Python 和 Java，所以这些问题背后的基本逻辑对我来说很清楚。

【问题讨论】：

从组装的角度思考就像把积木放在一起来建造更大的东西。像乐高或其他东西：简单的积木。对于任何给定的伪代码步骤，将其分解为机器可以执行的操作，在一系列步骤中使用有限的机器状态（寄存器）来计算一些有用的东西。对于数组，考虑指针（如 C）是有用的。
我从未使用过 LC-3 组件，但也许 this instruction list 可以帮助您。有时当我在编写一个可能需要使用循环之类的可能很长的过程时，我喜欢用更高级的语言编写它，然后慢慢地使函数更像“汇编”（扩展像a+b*c/whatever这样的大型操作，用 do while 循环替换 for/while 循环，甚至 goto 如果我在循环方面遇到很多麻烦）。也许不是最好的方法，但正如 Peter Cordes 所说，简单的构建块。
@mediocrevegetable1：在高级语言中获得正确的逻辑是一种非常好的方法，被广泛推荐。是的，为了有帮助，你必须根据 asm 实际可以做的事情来编写它，比如不是 Python 列表理解。（C 对此有好处；它只能做无需循环即可轻松编译为 asm 的事情）。是的，无论您是尝试让编译器生成您想要的 asm，还是计划手写 asm，以类似 asm 的方式编写高级代码都很好。
这些都不是 LC-3 特有的；它是一个寄存器机器，不需要你跳过疯狂的圈子（比如像一些玩具 ISA 那样用于数组索引的自修改代码，例如 LMC，或者像 MARIE 这样的累加器机器，使用多个数字是一件很痛苦的事情，不断存储/重新加载）。 LC-3 非常简单，缺少右移等关键功能，但如果您的算法不需要它，它与 MIPS 或 x86 等主流 ISA 并没有太大区别。
@PeterCordes 是的，我通常为此使用 C，也许 Java 将是 Java 和 Python 中 OP 的最佳选择。我自己也检查了指令列表（found a more comprehensive list and a guide），它确实非常简单和准系统（比如只有 ADD，AND 而不是 ALU）。我从未深入研究过微控制器组装，但这似乎是学习一些基础知识的好方法。

标签： assembly lc3 lc3-trap

【解决方案1】：

学习汇编语言有几个方面，它是处理器机器代码的人类可读版本。

基本上其他语言处于逻辑级别，而机器代码则非常处于物理级别

首先，这尤其体现在存储概念上的差异：
- 变量是逻辑变量，CPU 寄存器和内存是物理变量
- 逻辑变量是动态的，CPU 寄存器和内存是固定的、永久的
- 具有类型的变量与具有位的物理存储
因此，当我们编写汇编语言时，我们会翻译我们的伪代码：具有大量生命周期有限的类型化变量的逻辑代码，部分是通过将逻辑变量映射到固定的物理资源。变量通常比 CPU 寄存器多，尤其是当某些寄存器具有专用用途时，例如堆栈或返回地址。
另一方面，今天的其他语言通常采用结构化编程，而在汇编语言/机器代码中我们有 if-goto-label。

所有结构化语句在 if-goto-label 中都有翻译。每个翻译都是将结构化形式的模式转换为 if-goto-label 形式的模式。正确地遵循这些模式，您将重现伪代码的控制流——在这里很容易走捷径并犯令人困惑的错误，所以我在这里鼓励一种有条不紊的方法。
其他语言具有丰富的表达式：具有许多优先级的运算符，并且可以使用()'s 尽可能复杂。机器代码的指令（通常）最多需要 3 个操作数。
函数调用、堆栈帧、参数传递、返回值是一个相当深入的主题，函数序言和结语。
- 参数需要由调用者放置到已知位置，并由被调用者从这些位置找到
- 固定的物理寄存器需要在调用者和被调用者之间共享，因此有一个协议可以进行共享。寄存器要么保留调用，要么破坏调用 - 每个组都适用于不同的场景，并且有自己的规则/要求才能正常工作。
- 在汇编语言中可以有一个带有堆栈指针的显式调用堆栈，这是我们在 C 代码中看不到的。
- 可以有一个明确的返回地址，它应该被认为是一个参数，被调用者用来返回给正确的调用者（因为它可以是动态不同的）。
- 返回值由被调用者放置到已知位置，并在返回时由调用者找到。
- 保存调用保留寄存器，局部变量存储，例如对于数组，参数（包括返回地址）和局部变量可以在函数调用中生效——所有这些东西都需要内存存储，通常以在堆栈上分配一些空间的形式（尽管有时在 LC-3 上这些已经完成作为全局变量，这意味着不支持递归）。如果堆栈空间用于其中任何一个，则该空间称为堆栈帧。
  - 堆栈空间在函数序言中分配并在函数尾声中释放——这些是函数体之前和之后的函数代码部分（它们在每次函数调用时只执行一次，即使整个函数体是一个循环）。
- 通过查找您正在使用的“调用约定”查看更多信息，该约定将描述寄存器共享组、专用寄存器（例如堆栈指针）以及参数和返回值位置。
- 分析逻辑变量是否“在调用过程中有效”有助于选择适当的 CPU 寄存器，并告诉我们是否需要在序言中保存该寄存器并在结尾中恢复它。

有关详细信息，请参阅以下一些资源：

【讨论】：

LC-3 是一个 2 操作数 ISA，如 add reg, reg。（它有 8 个 16 位寄存器，是一个负载存储机器，有几种寻址模式，包括 PC 相对和寄存器间接）
@PeterCordes，当然。 ISA 不同。我认为 OP 对一般感兴趣，而不仅仅是对 LC-3。
对，因此如果您以后仍需要旧值，将 3 地址代码转换为 LC-3 asm 可能需要一些 mov 指令来复制寄存器。
@PeterCordes，是的，好点。 TAC 只是其中的一步。