CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

?CPU是中央處理器Central Processing Unit的縮寫，相當(dāng)于計算機(jī)的大腦，它的內(nèi)部由數(shù)百萬至數(shù)億個 「晶體管」 構(gòu)成。

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在 「程序運行流程」 中，CPU所負(fù)責(zé)的就是 「解釋和運行」 最終轉(zhuǎn)換成 「機(jī)器語言」 的程序內(nèi)容。

程序運行流程

CPU和內(nèi)存是由許多晶體管組成的 「電子部件」 ，通常成為集成電路Integrated Circuit。

?從功能方面來看，CPU的內(nèi)部是由 「寄存器」 、 「控制器」 、 「運算器」 、 「時鐘」 等四個部分組成，各個部分之間由 「電流信號」 相互連通。

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CPU的四個組成部分

1. 「寄存器」
   • 用來 「緩存」 指令、數(shù)據(jù)等處理對象，可以將其看作是**「內(nèi)存的一種」**
   • 根據(jù)種類的不同，一個CPU內(nèi)部戶有20~100個寄存器
2. 「控制器」
   • 負(fù)責(zé)把 「內(nèi)存」 上的指令、數(shù)據(jù)等讀入**「寄存器」**
   • 并根據(jù)指令的執(zhí)行結(jié)果來 「控制」 整個計算機(jī)
3. 「運算器」
   • 負(fù)責(zé)運算**「從內(nèi)存讀入寄存器的數(shù)據(jù)」**
4. 「時鐘」
   • 負(fù)責(zé)發(fā)出CPU開始計時的**「時鐘信號」**

內(nèi)存

?通常所說的 「內(nèi)存」 指的是計算機(jī)的主要存儲器Main Memory,簡稱 「主存」 。

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主存通過 「控制芯片」 等與CPU相連，主要負(fù)責(zé) 「存儲指令和數(shù)據(jù)」 。主存由 「可讀寫」 的元素構(gòu)成，每個字節(jié)（1字節(jié)=8位）都帶有一個 「地址編號」 。CPU可以通過該地址 「讀取」 主存中的指令和數(shù)據(jù)，當(dāng)然也可以 「寫入」 數(shù)據(jù)。

程序運行機(jī)制

程序啟動后，根據(jù) 「時鐘信號」 ， 「控制器」 會從 「內(nèi)存」 中讀取指令和數(shù)據(jù)。通過對這些指令加以解釋和運行， 「運算器」 就會對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算， 「控制器」 根據(jù)該運算結(jié)果來控制計算機(jī)。

CPU是寄存器的集合體

CPU的四個構(gòu)成部分中，我們只需要了解寄存器即可。這是因為， 「程序是把寄存器作為對象來描述的」 。

假設(shè)，我們存在如下用匯編語言編寫的代碼。

? 「匯編語言」 采用助記符Memonic來編寫程序，每一個原本是 「電氣信號」 的 「機(jī)器語言指令」 都有有一個與其 「相對應(yīng)的助記符」 。

助記符通常為指令功能的英語單詞的縮寫。

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匯編代碼

例如，mov和add分別是數(shù)據(jù)的存儲和相加的簡寫。

?「匯編語言和機(jī)器語言基本上是一一對應(yīng)的」

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• 通常我們將 「匯編語言」 編寫的程序轉(zhuǎn)化成 「機(jī)器語言」 的過程稱為**「匯編」**
• 反之， 「機(jī)器語言」 程序轉(zhuǎn)化成 「匯編語言」 的程序的過程稱為**「反匯編」**

從上述的 「匯編代碼」 中，我們可以看出， 「機(jī)器語言級別的程序是通過寄存器來處理的」 ，也就是說， 「CPU是寄存器的集合體」 。eax和ebp表示的都是寄存器。并且，內(nèi)存的存儲場所 「通過地址編號來區(qū)分」 ，而寄存器的種類 「通過名字來區(qū)分」 。

CPU處理程序的大致過程如下：

?使用 「高級語言」 編寫的程序會在 「編譯」 后轉(zhuǎn)化成 「機(jī)器語言」 ，然后再通過CPU內(nèi)部的寄存器來處理。

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寄存器的種類

?不同類型的CPU,其內(nèi)部寄存器的數(shù)量、種類以及寄存器存儲的數(shù)值范圍都是不同的。

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不過，根據(jù)功能的不同，我們可以將寄存器大致分為 「8類」 。

寄存器的主要種類和功能

可以看出，寄存器中存儲的內(nèi)容既 「可以是指令也可以是數(shù)據(jù)」 。其中，數(shù)據(jù)分為 「用于運算的數(shù)據(jù)」 和**「表示內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)」**

CPU是寄存器的集合體

決定程序流程的程序計數(shù)器

只有1行的有用程序是很少見的，機(jī)器語言的程序也是如此。接下來，我們看一下程序是如何按照流程運行的。

下圖是程序啟動后的內(nèi)存內(nèi)容的模型。

?用戶發(fā)出啟動程序的指示后， 「操作系統(tǒng)」 會把 「硬盤」 中保存的程序 「復(fù)制」 到 「內(nèi)存」 中。

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實例中的程序?qū)崿F(xiàn)的是將123和456兩個數(shù)值相加，并將結(jié)果輸出到顯示器上。

前面我們已經(jīng)介紹過，存儲指令和數(shù)據(jù)的內(nèi)存，是通過地址來劃分的。由于使用機(jī)器語言難以清晰地表明各地址存儲的內(nèi)容，因此我們對各地址的存儲內(nèi)容添加注釋。實際上， 「一個命令和數(shù)據(jù)通常被存儲在多個地址上」 ，但是為了便于說明，上面的圖例中，把指令、數(shù)據(jù)分配到一個地址中。

大致流程如下：

1. 地址0100是程序運行的開始位置。
2. 操作系統(tǒng)把程序從 「硬盤」 復(fù)制到 「內(nèi)存」 后，會將 「程序計數(shù)器」 （CPU寄存器的一種）設(shè)定為0100,然后程序便開始運行。
3. 「CPU每執(zhí)行一個指令，程序計數(shù)器的值就會自動加1」
4. 然后，CPU的 「控制器」 就會參照程序計數(shù)器的數(shù)值，從內(nèi)存中讀取命令并執(zhí)行。

?程序計數(shù)器決定著程序的流程

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條件分支和循環(huán)機(jī)制

程序的流程分為 「順序執(zhí)行」 、 「條件分支」 和 「循環(huán)」 三種。

1. 「順序執(zhí)行」 是指按照地址內(nèi)容的順序執(zhí)行指令
2. 「條件分支」 是指根據(jù)條件執(zhí)行任意地址的指令
3. 「循環(huán)」 是指重復(fù)執(zhí)行同一地址的指令

「順序執(zhí)行」 的情況比較簡單，每執(zhí)行一個指令 「程序計數(shù)器」 的值就 「自動加1」 .但若程序中存在 「條件分支」 和 「循環(huán)」 ，機(jī)器語言的指令就可以將 「程序計數(shù)器」 的值設(shè)定為 「任意地址」 （不是加1）。這樣一來，程序便可以返回到上一個地址來重復(fù)執(zhí)行同一個指令，或者跳轉(zhuǎn)到任意地址。

條件分支運行流程

上圖表示把內(nèi)存中存儲的數(shù)值(示例中是123)的絕對值輸出到顯示器的程序的內(nèi)存狀態(tài)。

大致流程如下：

1. 程序運行的開始位置是0100地址
2. 隨著 「程序計數(shù)器」 數(shù)值的增加
3. 當(dāng)?shù)竭_(dá)0102地址時，如果 「累加寄存器」 的值是 「正數(shù)」 ，則執(zhí)行 「跳轉(zhuǎn)指令」 （jump指令）跳轉(zhuǎn)到0104地址
4. 此時，由于 「累加寄存器」 的值是123,為 「正數(shù)」 ，因此0103地址的指令被跳過，程序的流程 「直接」 跳轉(zhuǎn)到了0104地址

? 「條件分支」 和 「循環(huán)」 中使用的 「跳轉(zhuǎn)指令」 ，會參照當(dāng)前執(zhí)行的 「運算結(jié)果」 來判斷是否跳轉(zhuǎn)。

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前面我們提到過 「標(biāo)志寄存器」 。無論當(dāng)前 「累加寄存器」 的運算結(jié)果是負(fù)數(shù)、零還是正數(shù)， 「標(biāo)志寄存器」 都會將其保存。

CPU在進(jìn)行運算時， 「標(biāo)志寄存器」 的數(shù)值會根據(jù)運算結(jié)果 「自動設(shè)定」 。至于是否執(zhí)行 「跳轉(zhuǎn)指令」 ，則由CPU在參考 「標(biāo)志寄存器」 的數(shù)值后進(jìn)行判斷。運算結(jié)果的正、零、負(fù) 「三個狀態(tài)」 由 「標(biāo)志寄存器」 的三個位表示。

32位CPU(寄存器的長度是32位)的標(biāo)志寄存器的示例

「標(biāo)志寄存器」 的第一個字節(jié)位、第二個字節(jié)位和第三個字節(jié)位的值為1時，表示的運算結(jié)果分別為正數(shù)、零和負(fù)數(shù)。

CPU比較機(jī)制

假設(shè)要比較 「累加寄存器」 中存儲的XXX值和 「通用寄存器」 中存儲的YYY值，執(zhí)行比較的指令后，CPU的運算裝置就會在內(nèi)部進(jìn)行XXX-YYY的 「減法運行」 。

無論減法運算的結(jié)果是正數(shù)、零還是負(fù)數(shù)，都會被保存到 「標(biāo)志寄存器」 中。

• 結(jié)果為 「正」 表示XXX比YYY大
• 結(jié)果為 「零」 表示XXX和YYY相等
• 結(jié)果為 「負(fù)」 表示XXX和YYY小

?程序中的比較指令，就是在CPU內(nèi)部做減法運算

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函數(shù)的調(diào)用機(jī)制

?函數(shù)調(diào)用處理也是通過把 「程序計數(shù)器」 的值設(shè)定成函數(shù)的存儲地址來實現(xiàn)的

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和 「條件分支」 、 「循環(huán)」 的機(jī)制不同，因為單純的跳轉(zhuǎn)指令無法實現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。

?函數(shù)的調(diào)用需要在完成函數(shù)內(nèi)部的處理后，處理流程再返回到函數(shù)調(diào)用點( 「函數(shù)調(diào)用指令的下一個地址」 )

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上圖的示例為 變量a和b分別代入123和456后，將其賦值給參數(shù)來調(diào)用MyFunc函數(shù)的C語言程序。圖中的地址是將C語言編譯成機(jī)器語言后運行時的地址。由于1行C語言程序在編譯后通常會變成多行的機(jī)器語言，所以圖中的地址是 「離散」 的。

此外，通過 「跳轉(zhuǎn)指令」 把 「程序計數(shù)器」 的值設(shè)定為0260也可以實現(xiàn)調(diào)用MyFunc函數(shù)。函數(shù)的 「調(diào)用原點」 （0132地址）和 「被調(diào)用函數(shù)」 (0260地址)之間的數(shù)據(jù)傳遞，可以通過內(nèi)存或寄存器來實現(xiàn)。

當(dāng)函數(shù)處理進(jìn)行到最后的0354地址時，我們應(yīng)該將 「程序計數(shù)器」 的值設(shè)定成函數(shù)調(diào)用后要執(zhí)行的0154地址。我們通過機(jī)器語言的call指令和return指令能實現(xiàn)該功能。

call 指令和return 指令

?函數(shù)調(diào)用使用的是call指令，而不是跳轉(zhuǎn)指令。

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在將函數(shù)的入口地址設(shè)定到 「程序計數(shù)器」 之前， 「call指令」 會把調(diào)用函數(shù)后要執(zhí)行的指令地址存儲在名為 「棧」 的內(nèi)存內(nèi)。 「return 指令」 的功能是把保存在棧中的地址設(shè)定到 「程序計數(shù)器」 中。

通過地址和索引實現(xiàn)數(shù)組

?通過 「基址寄存器」 和 「變址寄存器」 可以對 「主內(nèi)存」 上特定的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行劃分，從而實現(xiàn)類似于數(shù)組的操作

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1. 用 「十六進(jìn)制數(shù)」 將計算機(jī)內(nèi)存上00000000~FFFFFFFF的地址劃分出來
   • 凡是該范圍的內(nèi)存區(qū)域，只要有一個32位的寄存器，即可查看全部的內(nèi)存地址
2. 如果想要像數(shù)組那樣分割特定的內(nèi)存區(qū)域以達(dá)到連續(xù)查看的目的，使用兩個寄存器會更方便

?CPU會把 「基址寄存器」 + 「變址寄存器」 的值解釋為實際查看的內(nèi)存地址。

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「變址寄存器」 的值相當(dāng)于高級程序語言程序中數(shù)組的**「索引功能」**