计算机编程语言及其工作过程分析

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　　【摘要】    除了硬件，软件是计算机实现特定功能的基础，软件又分为系统软件和应用软件两种类型，但都是借助计算机编程语言实现的。本文主要根据计算机编程语言的发展历程，从编程语言的概念、工作过程和应用角度分别对机器语言、汇编语言和高级语言进行了研究分析，为深入了解计算机编程语言提供参考。
　　【关键词】    计算机    编程语言    机器语言    高级语言
　　一、引言
　　随着信息技术的迅速发展和应用，计算机技术的应用也在众多的科技领域中发挥着越来越大的作用。通常而言，计算机系统是由一些硬件组件和常用软件系统组成，这里说的硬件组件是指由电路集成的电子芯片或者是其他的物理部件，是计算机功能实现的基础，比方说我们最常见到的CPU、主板和显示器等。
　　而软件系统又经常被分为系统软件与应用软件两种类型，例如Windows 10就属于典型的系统软件，主要负责对以芯片为基础的硬件组件的管理，在硬件组件和应用软件之间起到一个承上启下的桥梁作用。应用软件总量繁多，如Office、Classin等，是根据特定功能需求开发出来的供用户直接使用的一种程序[1][2]。
　　不过，不论是以操作系统为代表的系统软件，还是以办公软件为代表的应用软件，其本质都离不开计算机编程语言[3]。因此学习和掌握计算机编程语言是计算机技术发展的基础，其经过由简单到复杂，由低级向高级发展的一个过程。本文结合对计算机程序和计算机编程语言的理论，从计算机语言的概念、工作过程和实际应用等角度对典型计算机语言进行探讨与分析总结，为今后进一步学习计算机技术奠定基础。
　　二、机器语言
　　2.1概念
　　顾名思义，机器语言是适用于机器理解的语言，机器码是机器语言的指令集，通常都是以二进制代码实现的，虽然现在计算机的发展已经很少看到机器语言，但高级语言的基础仍旧是机器语言。机器语言可以对计算机的编程系统进行识别和操作，对不同种CPU，对应的机器语言是不一致的，这是由于硬件结构不同所导致[4][5]。CPU的基础是集成电路，而电路只有两个状态，通常采用“0”和“1”来描述电路的状态，所以机器语言也是基于“0”和“1”来实现的，CPU能够将到的机器语言直接执行，即机器语言从执行效率上来说比其他的语言都要高。
　　2.2工作过程
　　简单的来说，机器语言是利用二进制代码 “0”和“1”，通过不同的排列组合实现对硬件操作的特定功能。当程序员需要借助机器语言实现对计算机操作时，需要掌握特定CPU的机器语言指令及其实际功能，然后按照机器语言的要求，自行对每条指令进行操作，为每一次操作分配存储空间，并且需要记住各个状态的变化，可见其执行过程十分复杂。而且计算机的机器语言功能与格式与对象机器的位数、存储空间和指令功能有关。通常而言，一条机器语言指令中，包含了常见的操作码（运算功能），操作数（运算对象）和操作结果（运算结果），并且都是用二进制来表示的。根据不同型号的计算机，采用一定的指令格式來编写指令，对计算机的操作系统进行指令输入，进而对计算机上的操作系统进行编译和解释。
　　2.3应用分析
　　机器语言所使用的是针对特定型号计算机的语言，其一条指令就是一个语句。尽管各种型号的计算机不同，机器语言也有所不同，但也有一些基本的常用机器语言指令是可以通用的，具有一定的兼容性，这种兼容性被广泛应用于软件特别是应用程序的更新，所以其运算效率是所有语言中最高的。但它也存在着众多的缺陷，例如，编写代码时的繁琐和依赖性强，以及使用时出错率较高。由于大量的繁琐细节，导致了程序员难以驾驶计算机。因此，这也是计算机在刚发明时未能广泛得到推广的一个重要原因。但无论是目前多么智能的计算机，都离不开机器语言对其进行最基本的指令。所以机器语言虽然效率很高，但是使用起来非常繁琐，所以后来人们又发明了另一种更方便的语言——汇编语言，下面我们来介绍一下汇编语言。
　　三、汇编语言
　　3.1概念
　　虽然汇编语言是一种低级语言[6]，但是目前它却被应用在很多地方。例如用在电子计算机、微控制器和其他一些可编程的机器上。它还有另外一种叫法：符号语言。顾名思义，即用符号来代替机器指令的操作码。汇编语言的应用会根据机器设备的不同而采用不一样的语言指令集，并且能转化为机器指令。
　　实际上来说，两种语言的指令集是相互对应的。在目前的实际使用过程当中，汇编语言并没有像其他语言一样能够广泛的用在程序的设计之中。通常来说，它只是被用于一些硬件或是高要求的程序优化的情况下，同时它还能够被用于驱动、实时运行等程序的设计中。简而言之，汇编语言就是机器语言的一种升级版，由英文字母所构成，就是将繁琐的机器语言汇编为较为简洁的计算机语言。
　　3.2工作过程
　　汇编语言是一种能够直接对处理器进行处理的语言。只有在指令的控制下，处理器才能进行工作，并且不同的处理器都有它们自身的一套工作指令。不同处理器的这一套工作指令之间不能相互应用，具有唯一性。汇编语言的主体实质上就是一种指令，这种汇编指令涵盖了很多种类型的指令，例如输入输出、逻辑运算等指令。值得注意的是，汇编指令要与机器指令要相互区别开来。它们的区别在于表达指令的方式上，前者有着简单并且容易被记忆的格式。现在对于汇编程序而言，主要为各类程序的开发、修改等增加附加的支持机制。就比如我们常见的宏（Macro），这是一种编程工具所带有的批量处理操作，也就是宏汇编器。如果想要使用汇编语言，就必须借助汇编器（Assembler）来实现。汇编器能够实现将汇编语言转成机器能够识别的语言。通常来说，汇编器只能够生成目标代码，并不能生成直接可以执行的代码，必须要通过链接器中转一下，然后才能够生成可以直接执行的代码。 　　在实际的应用过程中，汇编语言的工作过程就是程序员使用一些英文简写字母编写成更容易识别与记忆的汇编指令等，然后再通过编译器从而转变为可以直接被CPU执行的机器语言，进而“间接的”对计算机的操作系统进行编译和操控。
　　3.3应用分析
　　汇编语言实际上就是辅助机器语言的一种符号，相对来说汇编语言有着更易改写、调控等优点。一位优秀的汇编语言工作者是能够使用一些技术设计，让汇编语言编写的代码有着超越高级语言编写的代码的优势，比方说在执行速度方面，有着更快的速度;在内存空间方面，占用的内存更少。通过使用汇编语言设计出来的程序最后还是要被转化为机器指令，用这样的方式能够保证机器语言的一一对应，能够直接便捷地访问和操作计算机。汇编语言代码非常的简短、执行命令的效率高、不会占用很大的内存，被当作是高效的设计语言，并且还广泛用于与高级语言结合使用。
　　通过与高级语言的结合，两种语言能够相互弥补，有效地提高程序执行的效率和硬件方面控制。然而，汇编语言在某些方面仍然有不足之处。它不能满足复杂程序的编写环境，这是因为汇编语言的应用需要借助机器。不同的机器的汇编语言不一样，所以汇编语言要依托于机器编写，并不能相互移植和应用，这就有一定的局限性了。这也就导致程序员使用汇编语言时，要求掌握一些不同的处理器结构等方面的知识，并且只能针对某一种处理器进行编写和优化程序，这种开发效率非常的低，时间成本过高。正是因为汇编语言时针对于机器而言的，它是构成语言层次的基础，也就是语言结构的底层。因此，汇编语言常常被当作是低级语言。接下来，将对应用功能强大且应用范围较大的高级语言进行简单的阐述。
　　四、高级语言
　　4.1概念
　　计算机的语言有多种，除了前面介绍的低级语言，它还包括高级语言。不同于其他两种编程语言，高级语言是一种高度“包装”的编程语言。高级语言和人类的日常沟通的语言类似，它使用的是人们通俗易懂的文字或者符号来表达的。通过这样的表达方式，增强程序员编写程序的可读性，也能够帮助对编程语言不那么精通的人了解程序的大致内容。实质上高级语言是一种比较符合人类语言逻辑思维的程序，它基本上可以不用依托于硬件系统进行程序的编写，使得操作更加简单。
　　然而，高级语言不是指代的某种语言，它包含了多种类型的语言，比如：C语言、Basic语言等。每一种高级语言都有自己的特点、功能、适用范围和操作指令。简单的用一句话来说，高级语言就是一类利用一些人们容易理解的文字，省略了一些繁琐、不相关联的细节，简化了的输入指令。
　　4.2工作过程
　　接下来阐述高级语言的语法和结构。它的语言结构和汉字类似，并且不依靠于硬件，能够直接操作，程序员只需要经过简单的学习即可进行编程。高级语言按照类型分类有很多种，例如命令式、函数式等语言。不过这些语言虽然属于不同种类型，但是它们之间还是会有相互影响，能够在一定程度上相互支持。
　　在目前对编程语言的应用中，由于高级语言在各个领域应用的最多，因此也就成为了程序员首要考虑的编程语言。高级语言的工作过程与前面讲的汇编语言相类似。它们都是通过一系列的指令，对计算机的系统程序進行编写和解释。虽然高级语言的功能强大，但是仍然有一定的局限性。它并不可以编写成为能够直接访问机器硬件和软件资源或者控制设备等功能的语言，如果器件要使用这些功能就必须调用汇编语言进行操作。总的来说，高级语言能够借用接口，来调用外部的一些程序，实现对计算机的编写。
　　4.3应用分析
　　高级语言能够被广泛应用，必然其他语言所不能代替的地方。它不仅容易掌握，而且能够将复杂的算法简单化。高级语言已经成为了程序设计和优化的一个前提，它为程序编译者创造了良好的编译环境。，让程序员编写的程序有更好的可靠性和维护性。它能够脱离机器语言，有自身的表达特色，与计算机的某些结构联系不大，可以更加便捷的将数据的运算表达的清楚。在程序的控制结构方面也可以更方便的表示出来。正是因为这些功能，使得用高级语言编写出来的程序具有简单易读性和重复利用性等优点。因此，可以将一些繁琐的事情通过编译程序来完成，从而缩短开发周期。通过这样的方式让程序员有更多的时间去优化程序的运算，以提高质量，进而推动计算机技术的发展。不过，高级语言编写出来的程序会比汇编语言编写出来的更长一些，这也就导致了运行速度上会稍慢。但是从总体上来看，高级语言仍是目前一种有效的计算机语言，在软件应用等方面有着极大的潜力。
　　五、总结
　　计算机编程语言不仅仅是计算机运行的语言指令，更是计算机程序员与计算机之间的交流工具。从上个世纪50年代到现在正在开始的“5G”时代，计算机语言的发展包含了三个阶段，分别是机器、汇编和高级语言阶段。这几个发展阶段为计算机世界的建设奠定了牢固的基础。相信在未来的世界中，计算机语言会发展成为使用更加方便、效率更加高效、应用更加广泛的人与计算机的交流语言，助推世界第三次科技革命的发展。
　　参  考  文  献
　　[1]沈美明. PDP-11机器语言与汇编语言程序设计[M]. 机械工业出版社， 1988.
　　[2]孟洪亮. 试析计算机编程语言的发展与应用[J]. 电脑编程技巧与维护， 2018， No.397（07）：26-28.
　　[3] Robert， Harper， 李亚宁. 编程语言的实用基础[J]. 国外科技新书评介， 2015（2）：8-9.
　　[4]邓昶. 常用计算机编程语言的分析和选用技巧探析[J]. 计算机光盘软件与应用， 2014， 5（19）：75-76.
　　[5]叶连杰. 计算机编程语言的发展与应用[J]. 信息与电脑（理论版）， 2014（11）：191-192.
　　[6]赵志华. 试论不同编程语言对计算机应用软件开发的影响[J]. 电脑编程技巧与维护， 2015（15）：17-18.
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