4.2 Assembly Language 汇编语言

Syllabus learning goals 考纲学习目标

完成本节后，学生需要能够：

• 解释 assembly language 与 machine code 的关系。
• 描述 two-pass assembler 的两个 stages。
• 把 two-pass process 应用于带 labels 的简单程序。
• 使用给定 instruction set trace assembly program。
• 把 instructions 分为 data movement、I/O、arithmetic、jump 和 compare groups。
• 使用 immediate、direct、indirect、indexed 和 relative addressing。

Assembly questions 总会给出本题 instruction set。不要只凭记忆猜 opcode；先阅读表中的 exact operation、operand format 和 addressing mode。

1 Assembly language and machine code

Machine code 是 CPU 可直接执行的 binary instructions。每条 instruction 通常分为：

• Opcode：指定 operation，例如 load、add、jump。
• Operand：指定 data、register、address 或 offset。

Assembly language 使用 mnemonic opcode 和人类较容易阅读的 operands/labels，例如：

LDM #5
ADD #3
STO Total

Assembler 把 assembly source code 转换为 machine/object code：

• Mnemonic opcode 对应 processor instruction set 中的 binary opcode。
• Numeric operand 被编码为 binary。
• Symbolic label 由 assembler 替换为实际 address。

Assembly language 是 low-level、processor-specific language。通常一条 assembly instruction 对应一条 machine instruction，但 source 中的 labels、comments 和 formatting 不会成为可执行 instructions。

2 Two-pass assembler

使用 two passes 的核心原因：程序可能在 label 定义出现之前就引用该 label。First pass 先确定所有 symbolic addresses，second pass 才能正确生成 object code。

First pass

• Reads source code one line at a time。
• Removes/ignores whitespace and comments。
• Checks that opcodes are valid and detects relevant syntax errors。
• Maintains a location counter to determine each instruction/data address。
• Adds each label and its address to the symbol table。

The main purpose of the first pass is to create/build the symbol table.

Second pass

• Reads the source code again。
• Looks up symbolic labels in the symbol table。
• Replaces labels with their addresses。
• Translates mnemonic opcodes and operands into binary machine code。
• Generates the object code and reports unresolved labels/errors。

Actions by pass

Applied example

        LDM #5
        STO Total
        END
Total:  0

First pass：

• Location counter assigns an address to each line。
• Total and its address are entered into the symbol table。
• STO Total can be recognised even though the address is not yet substituted。

Second pass：

• LDM、STO、END are translated to their binary opcodes。
• #5 is encoded as an immediate value。
• Total is replaced with the address stored in the symbol table。
• Object code is produced。

3 Instruction groups

Exam wording：

• Loading data into ACC → data movement。
• Incrementing IX → arithmetic operations。
• Branching to another address → conditional/unconditional jump instructions。
• IN/OUT → input and output of data。

给 instruction example 时必须包含 suitable operand，例如写 ADD 100，而不是只写 ADD。

4 Operand notation

题目常用：

• #n：denary literal/immediate value，例如 #127。
• Bn：binary value，例如 B01001101。
• &n：hexadecimal value，例如 &4A。
• <address>：absolute numeric address 或 symbolic label。

同一个 opcode 的 operand form 可能改变 addressing mode。必须连同 #、B、& 或 address 一起阅读。

5 Addressing modes

假设 memory 使用 M[address] 表示，IX 是 index register。

Immediate addressing

Operand 本身就是 data value，不访问该数值对应的 memory address。

LDM #98  -> ACC = 98
ADD #4   -> ACC = ACC + 4

Mark-secure definition：the actual value/data is contained in the operand。

Direct addressing

Operand 是存放 data 的 memory address。

LDD 50 -> ACC = M[50]
ADD 54 -> ACC = ACC + M[54]

Indirect addressing

Operand 指向一个 memory location；该 location 的内容才是 data 的实际 address，需要两次 memory lookup。

LDI 101 -> ACC = M[M[101]]

如果 M[101]=98 且 M[98]=8，则 LDI 101 后 ACC=8。

Indexed addressing

Effective address = operand/base address + contents of IX。

LDX 100 -> ACC = M[100 + IX]

若 IX=2 且 M[102]=32，则 ACC=32。Indexed addressing 常用于依次访问 array/list items；increment IX 即可访问下一 element。

Relative addressing

The operand is an offset added to a base value to form the effective address.

Base value 通常由 processor/PC/current address 提供。Relative addressing 适合 branch 到当前位置附近，也使 code 更容易 relocation。不要把 relative 与 indexed 混为一谈：indexed 明确使用 IX；relative 使用 offset + base/current address。

Comparison table

6 Worked addressing example

Given：

IX = 2

这是区分三种 mode 的最稳妥方式：先写 expression，再查 memory。

7 Tracing an assembly program

Trace-table method

• Copy initial values of ACC、IX 和 relevant memory locations。
• Start at the first instruction address。
• Read the exact opcode definition from the provided table。
• Resolve the operand/addressing mode before changing any value。
• Update only the register、memory cell、output or condition actually affected。
• Unless a jump occurs, move to the next instruction address。
• For CMP, do not change ACC；record whether comparison is true or false。
• For JPE/JPN, use the most recent comparison result to decide the next address。
• Stop only when END executes or the question's stopping condition is reached。

Worked arithmetic trace

Memory：M[50]=54, M[54]=100, M[56]=50, M[53]=52, M[52]=50。

Program 1：

LDD 50     ; ACC = 54
ADD #4     ; ACC = 58
ADD 54     ; ACC = 58 + 100 = 158

Program 2：

LDI 53     ; M[53]=52, M[52]=50, ACC = 50
DEC ACC    ; ACC = 49
ADD 56     ; ACC = 49 + 50 = 99

Program 3：

LDM #55    ; ACC = 55
SUB #5     ; ACC = 50

Jumps and loops

• JMP address always changes the next instruction address。
• CMP value/address establishes a true/false comparison but does not normally alter ACC。
• JPE address jumps if the comparison is true/equal。
• JPN address jumps if the comparison is false/not equal。
• A loop may execute the same instruction address multiple times；trace table 必须记录每一次 execution。

8 Common mistakes 常见失分点

• 把 assembly language 写成 CPU 可直接执行；CPU 直接执行的是 machine code。
• First pass/second pass 都写成 “translate code”，却没有 symbol table 和 object code 的区别。
• 忘记 symbolic label 在 second pass 被 address 替换。
• 忽略 operand 的 #，把 immediate value 当 memory address。
• Direct 读取一次 memory，indirect 读取两次；两者混淆。
• Indexed 忘记 address + IX 后还要读取该 effective address 的内容。
• CMP 后错误修改 ACC。
• Conditional jump 没有使用最近一次 comparison result。
• STO 方向写反；它把 ACC 写入 memory，不是从 memory load ACC。
• Trace loop 时跳过重复执行的 rows。

9 Exam-answer checklist 真题检查表

• 是否写 assembly mnemonic/operand 由 assembler 转成 binary opcode/operand？
• First pass 是否出现 location counter 和 symbol table？
• Second pass 是否出现 label lookup 和 object code generation？
• Instruction group 是否使用 syllabus 指定名称？
• Example instruction 是否含 suitable operand？
• 是否精确区分 immediate、direct、indirect、indexed、relative？
• Trace 前是否先写出 effective address/value？
• CMP 是否保持 ACC 不变？
• Jump 后 next instruction address 是否正确？
• 每次 memory/register change 是否记录在同一 trace row？

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本材料依据 9618 syllabus 4.2 的六项要求，并综合本页所列 2021-2025 past-paper questions 及 mark schemes。由于部分 syllabus points 没有单独绑定题目，相关内容同时依据官方 instruction-set wording 组织。