计算机原理系列

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计算机原理（一）

继续上一篇计算机原理（一）深入了解程序执行部分，进一步说说程序在冯诺依曼模型上如何执行。如果没有了解的童鞋可以查看我上一篇文章。

1.程序的执行过程

当 CPU 执行程序的时候：
1.第一步，CPU 读取 PC 指针指向的指令，将它导入指令寄存器。完成读取指令这件事情有 3 个步骤：

• 步骤 1：CPU 的控制单元操作地址总线指定需要访问的内存地址（简单理解，就是把 PC 指针中的值拷贝到地址总线中）。
• 步骤 2：CPU 通知内存设备准备数据（内存设备准备好了，就通过数据总线将数据传送给 CPU）。
• 步骤 3：CPU 收到内存传来的数据后，将这个数据存入指令寄存器。
  完成以上 3 步，CPU 成功读取了 PC 指针指向指令，存入了指令寄存器。

2.然后，CPU 分析指令寄存器中的指令，确定指令的类型和参数。
3.如果是计算类型的指令，那么就交给逻辑运算单元计算；如果是存储类型的指令，那么由控制单元执行。
4.PC 指针自增，并准备获取下一条指令。

2.详解a=11+15的程序执行过程

上面我们了解了基本的程序执行过程，接下来我们来看看如果用冯诺依曼模型执行a=11+15是一个怎样的过程。

当我们写的程序a=11+15是字符串，CPU只能执行指令。所以这里需要用到编译器。编译器的核心能力是翻译，它把一种程序翻译成CPU可执行的语言。比如java语言就是把.java转换成.class文件类加载到JVM通过解释器和即时编译器（JIT Compiler）执行字节码指令（这里大概了解下，后面我会单独讲讲JVM工作原理）。
下面我们来详细阐述a=11+15的大体执行过程：

1.编译器通过分析，发现11和15是数据，因此编译好的程序启动时，会在内存中开辟出一个专门的区域存这样的常数，这个专门用来存储常数的区域，就是数据段，如下：

• 11 被存储到了地址 0x100；
• 15 被存储到了地址 0x104；
  

2.编译器将a=11+15转换成了 4 条指令，程序启动后，这些指令被导入了一个专门用来存储指令的区域，也就是正文段。如上图所示，这 4 条指令被存储到了 0x200-0x20c 的区域中：

• 0x200位置的load指令将地址0x100中的数据11导入寄存器R0；
• 0x204位置的load指令将地址0x104中的数据15导入寄存器R1；
• 0x208位置的add指令将寄存器R0和R1中的值相加，存入寄存器R2；
• 0x20c位置的store指令将寄存器R2中的值存回数据区域中的0x1108位置。

3.具体执行的时候，PC指针先指向0x200位置，然后依次执行这4条指令。

3.指令

在上面的例子中，load 指令将内存中的数据导入寄存器，我们写成了 16 进制：0x8c000100，拆分成二进制就大体如下：

• 最左边的6位，叫作操作码，英文是OpCode，100011代表load指令；
• 中间的4位0000是寄存器的编号，这里代表寄存器R0；
• 后面的22位代表要读取的地址，也就是0x100。

所以我们是把操作码、寄存器的编号、要读取的地址合并到了一个32位的指令中。
我们再来求加法运算的 add 指令，16进制表示是0x08048000，换算成二进制就是：

• 最左边的6位是指令编码，代表指令 add；
• 紧接着的4位 0000 代表寄存器 R0；
• 然后再接着的4位 0001 代表寄存器 R1；
• 再接着的4位 0010 代表寄存器 R2；
• 最后剩下的14位没有被使用。

构造指令的过程，叫作指令的编码，通常由编译器完成；解析指令的过程，叫作指令的解码，由CPU完成。由此可见CPU内部有一个循环：

• 首先CPU通过PC指针读取对应内存地址的指令，单词就是Fetch 。
• CPU对指令进行解码，单词就是Decode。
• CPU执行指令，单词就是Execution。
• CPU将结果存回寄存器或者将寄存器存入内存，单词就是Store。
  
  上面4个步骤，就是CPU的指令周期。CPU的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。

4.指令的类型

通过上面的例子，不同类型的指令、参数个数、每个参数的位宽，都不一样。而参数可以是以下这三种类型：

• 寄存器；
• 内存地址；
• 数值（一般是整数和浮点）。

当然，无论是寄存器、内存地址还是数值，它们都是数字。
指令从功能角度来划分，大概有以下 5 类：

• I/O 类型的指令，比如处理和内存间数据交换的指令 store/load 等；再比如将一个内存地址的数据转移到另一个内存地址的 mov
  指令。
• 计算类型的指令，最多只能处理两个寄存器，比如加减乘除、位运算、比较大小等。
• 跳转类型的指令，用处就是修改 PC 指针。比如编程中大家经常会遇到需要条件判断+跳转的逻辑，比如if-else，swtich-case、函数调用等。
• 信号类型的指令，比如发送中断的指令 trap。
• 闲置 CPU 的指令 nop，一般 CPU 都有这样一条指令，执行后 CPU 会空转一个周期。

指令还有一个分法，就是寻址模式，比如同样是求和指令，可能会有另个版本：

• 将两个寄存器的值相加的 add 指令。
• 将一个寄存器和一个整数相加的 addi 指令。
  另外，同样是加载内存中的数据到寄存器的 load 指令也有不同的寻址模式：
• 比如直接加载一个内存地址中的数据到寄存器的指令la，叫作直接寻址。
• 直接将一个数值导入寄存器的指令li，叫作寄存器寻址。
• 将一个寄存器中的数值作为地址，然后再去加载这个地址中数据的指令lw，叫作间接寻址。

因此寻址模式是从指令如何获取数据的角度，对指令的一种分类，目的是给编写指令的人更多选择。

5.指令的执行速度

CPU其实是用石英晶体产生的脉冲转化为时钟信号驱动的，每一次时钟信号高低电平的转换就是一个周期，我们叫时钟周期。CPU的主频，说的就是时钟信号的频率。比如一个1GHz的CPU，说的是时钟信号的频率是1G。这就是我们买电脑熟悉的需要知道CPU的频率参数了，频率越高性能越好了。

这里再说明一下，不是每个时钟周期都可以执行一条指令。多数指令可能不在一个时钟周期完成，通常需要 2 个、4 个、6 个时钟周期。