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[计算机科学#11]:编程语言简史，从二进制到简约表达的华丽转身，造就原因——“懒”

news 来源：原创 2025/5/9 7:09:39

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内容摘要： 由于早期的编程需要直接操作硬件，例如使用穿孔卡片或控制面板，这一过程不仅繁琐且耗费大量精力。为了将更多注意力集中在业务逻辑和实际问题的解决上，人们迫切需要一种更简便的编程方式。由此诞生了“软件”这一概念，作为人类与计算机之间的桥梁。从最初的二进制操作码，到使用助记符的汇编语言，再到结构化、面向对象的高级语言，每一次技术进步都极大地降低了编程门槛，使人与计算机的交流变得更加自然与高效。这种演进不仅推动了计算机技术的发展，也让更多人能够参与到编程和数字化创造中来。

关键词：汇编器编译器高级语言

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二进制编写程序

在[计算机科学#8]中，我们详细介绍了CPU处理器是如何运行指令的。每条指令通常由操作码和数据地址组成：操作码告诉CPU应执行何种运算逻辑，而数据地址则指明从何处获取运算所需的数据。这些内容均以二进制形式表示，当指令数量和位数较多时，识别和记忆各种操作码的功能就变得十分困难。

为了解决这个问题，人们在正式编写程序前，常用人类语言先描述任务的运行步骤，例如：“计算1月份每天的收入，并将它们相加”。这种以接近自然语言的方式表达的程序思路被称为伪代码。伪代码本身不能直接被计算机执行，因此程序员需要参考操作码表，将伪代码逐步翻译成具体的操作码和地址信息，最终转换为二进制指令，组成一个可以被CPU执行的完整程序。

汇编器，使用助记符翻译二进制

与其逐条查表、反复确认复杂的二进制指令，不如使用更易记的人类语言词汇或缩写来表示某个操作。比如，用 “Add” 来代表二进制的 1010，用 “Load_A” 来表示 10010010。程序员可以直接使用这些助记符编写程序，而无需手动处理繁琐的二进制序列。

将助记符转换为二进制指令的过程被称为 “汇编”，完成这一工作的专用软件叫做 “汇编器”。汇编器本身由二进制编写，但一旦它构建完成，就可以极大地提高后续程序编写的效率——一次开发，多次受益。

随着发展，汇编器功能日益强大，不仅能将助记符转换为机器指令，还能自动分配跳转地址、管理内存位置等。这意味着程序员不再需要手动指定复杂的内存地址或跳转逻辑，从而大大减少了与底层硬件的直接交互，让编程更加高效和可靠。

第一个编译器：A-0

格蕾丝·穆雷·霍珀（Grace Murray Hopper，1906年12月9日—1992年1月1日），本名格蕾丝·布鲁斯特·穆雷（英语：Grace Brewster Murray），霍珀为夫姓，生于美国纽约州纽约市，美国海军准将及计算机科学家，世界最早一批的程序员之一，也是最早的女性程序员之一。她是哈佛一型计算机上第一个专职程序员，创造了现代第一个编译器A-0 系统，以及第一个高级商用计算机程序语言COBOL，被誉为“COBOL之母”。

A-0 编译器是历史上最早的编译器之一，它能够将高级语言指令转换为汇编语言或机器码，大大减少了程序员对计算机底层逻辑的直接干预。这项开创性的工作由格蕾丝·穆雷·霍珀领导完成，标志着“用人类语言与计算机沟通”的理念首次真正落地。然而，在当时，这种高级语言的思想过于超前，许多人对霍珀的成果持怀疑态度，认为脱离硬件细节的编程方式不切实际。因此，A-0 编译器并未在当时获得广泛传播，相关的编程代码和文档几乎未被系统保存下来，成为计算机史上一段宝贵却模糊的记忆。

X1 = 12
X2 = 20
Y = X1 + X2

以 Python 代码为例，程序的操作通常非常直观，例如：将 X1 与 X2 相加，并将结果存储到 Y 中。代码中等号左侧的 X1、X2 和 Y 被称为变量，本质上是数据的内存地址。在程序运行过程中，编译器会将这些变量映射到实际的内存地址，对应的值就存储在那块地址中。对程序员来说，我们只需要关注变量的名称和用途，而不必去关心底层对应的内存地址究竟是什么。这种抽象屏蔽了底层细节，使编程更专注于逻辑和功能，也体现了高级语言的强大之处。

高级语言让编程更方便

Fortran

Fortran最初由IBM在1950年代开发，用于科学和工程应用，并随后长时间统治了科学计算编程。它已经在计算密集领域里应用了超过六个年代，比如数值天气预报、有限元分析、计算流体力学、地球物理学、计算物理学、晶体学和计算化学。它是高性能计算的流行语言，并被用于世界上最快超级计算机的基准测试和排名。

由于当时高级语言仍处于起步阶段，许多编程语言只能运行在特定厂商生产的计算机上。例如，Fortran 只能在 IBM 的计算机上运行。这种依赖硬件平台的特性，极大地限制了程序的移植性和通用性。这就像是你家门口明明有小卖部，但买瓶水却必须跑到10公里外的大超市——既不高效，也不现实。更严重的是，计算机硬件更新换代频繁，每次设备升级，原有程序可能就无法运行，程序员不得不重新编写整个系统，既耗时又烧钱。

为了解决这一危机，1959 年，来自工业界、学术界和政府的计算机专家联合成立了一个特别工作组，Grace Hopper 担任顾问。这个团队的目标是开发一种跨平台、面向商业用途的通用语言。最终，这种语言被命名为 “COBOL”（Common Business Oriented Language，普通面向商业语言），标志着现代跨平台编程理念的萌芽。