CPU中的程序是怎么運行起來的

總述

最近一位朋友問我，開發(fā)的代碼是怎么在芯片運行起來的，我就開始給他介紹代碼的預編譯、匯編、編譯、鏈接然后到一般的文件屬性，再到代碼運行。但是大佬問了我一句，CPU到底是怎么執(zhí)行到每一個邏輯的，就講了哈CPU的架構(gòu)。這是時候真的有些迷了，雖然有模電數(shù)電的底子，但是自己都說迷糊了，匯編怎么對應到機器碼再到怎么執(zhí)行每一個邏輯。

所以我想了想，我自己也重新學習整理一下，寫一篇文章分享給自己也分享給大家。雖然網(wǎng)上也有很多人講這個過程，我也想用自己的視角去介紹一下。所以我就花了三天時間把《CODE》這本書啃完，然后又看了哈Crash Course Computer Science的視頻，現(xiàn)在終于可以寫篇文章了。

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CPU的硬件最小原子

計算機從上世紀四十年代發(fā)展到現(xiàn)在有八十多年了，我們現(xiàn)在開發(fā)應用以及很少會涉及到底層的部分，硬件設計的電子專業(yè)在學校里面會學習模電數(shù)電這兩門課，今天的第一部分就從這里說起。

一般我們不考慮物理的硬件底層的實現(xiàn)邏輯，但是為了后續(xù)的機器碼的介紹，這里開始介紹CPU的基本組成部分。

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我們都知道現(xiàn)在的CPU是無數(shù)的晶體管組成，一塊很小的CPU用顯微鏡觀察可以看到上百萬個元器件，那么最早電腦是啥樣的呢？感謝Crash Course Computer Science的視頻，下面有很好照片都是從她的視頻中截取。以及感謝《CODE》，好多資料也是從此書得來。

最早的計算機，它有76萬5千個組件，300多萬個連接點和大約804公里長的用線，這個是真的大，而且它的核心控制還是用繼電器實現(xiàn)控制邏輯的。

此外，它的性能相較于于現(xiàn)在的電腦來說簡直微不足道。

好了言歸正傳，我們直接介紹現(xiàn)在計算機中的CPU組成，之前用繼電器、電子管進行控制計算，這些基本的元器件使得計算機體型龐大，后來半導體的出現(xiàn)，使得計算機的體積大大減小。沒有使用半導體的時候，科學家使用繼電器等進行控制電路的開關(guān)，控制電路電流的高和低，通過布爾代數(shù)組合形成我們現(xiàn)在經(jīng)常說的邏輯門，繼而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制。

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如上圖所以它會出現(xiàn)如下情況

這其實就是一個簡單開關(guān)的與門（AND）電路，所有的變量輸入是1的時候，輸出才為1。相應的還有非門、或門、異或門等。

那么半導體是如何做到的呢？下面所示是三極管變化而成的與門（AND）電路，通過兩個三極管連接（三極管的工作原理可以百度一哈），實現(xiàn)邏輯。

這是非門（NOT），輸入1輸出位0，輸入位、為0輸出為1.

這是或門（OR），只有A、B兩個同時輸入0的時候，輸出才為0，其余都為1.

這是常用的邏輯門的圖形表示以及真值表顯示，最后一欄為真值表顯示，其中A、B為輸入，F(xiàn)為輸出。

基于這些邏輯的組合我們可以變成最小的11位二進制邏輯的加法器，1bit的數(shù)據(jù)鎖存器，再擴展為8位加法器，256M存儲器。

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CPU的模塊組成過程

講完了CPU組成的最小原子結(jié)構(gòu),接下來我們抽象出來了邏輯門進行

首先我們先介紹一下CPU的基本架構(gòu)

一塊完整可以執(zhí)行程序CPU功能部件，里面有基本的ALU算數(shù)邏輯單元、控制單元、外部儲存器（儲存數(shù)據(jù)和程序）。

1970年發(fā)布的時候，它是第一個封裝在單個芯片內(nèi)完整的ALU。

ALU（算數(shù)邏輯單元）有兩個單元：一個算數(shù)單元（加法器），負責計算機里的所有數(shù)字操作，例如加減法、增量運算等；一個邏輯單元，負責一些簡單的數(shù)值測試，例如檢測ALU輸出是否為零的的電路

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加法器：

用單個晶體管一個個去拼，把這個電路做出來，到那時會很復雜很難理解。所以我們更高層面的抽象-邏輯門去實現(xiàn)（AND、OR、NOT、XOR）。

下面這是一個1位的加法器：

二進制數(shù)的“和”可以由異或門得到，而“進位”可以由與門得到，所以可以把異或門和與門結(jié)合起來來完成兩個二進制數(shù)?A和B的加法?

AB只能輸入0或者1，也就是這個加法器能算0+0，1+0或者1+1。

脫離具體的形狀，我們可以把以上的一個加法器，抽象為一個符號用來顯示：

然后我們在進行擴展，把八個全加器連接，這樣就變成了一個8bit的加法器。每個全加器的進位輸出都是下一個全加器的進位輸入：?

用一個抽象的框圖進行表示，其中輸入是A和B標識為從A0～A7及B0～B7。輸出為和輸出，標識為從 S0～S7：?

這樣我們就構(gòu)造了一個簡單8位的加法器。

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邏輯單元：同樣AND、OR、NOT、XOR的執(zhí)行，如下圖一個簡單的判斷輸出是否為0的電路

它用一堆OR門檢查其中一位是否為1，哪怕只有一個輸入的bit（位）為1，但都會被被或門到最后一個NOT（非）門進行取反，所以只有輸入的數(shù)字是0，輸出才能是為1。

告訴ALU執(zhí)行加減法，下面圖片里面的的V代表ALU部分。

通過ALU的FLAGS進行判斷，下面有三個標志一個是OVERFLOW（操作超出了總線寬度，設置為true（1））、ZERO（運算結(jié)果是否為零）、NEGATIVE（運算結(jié)果第一位為1，則設置為true（1），表示為負數(shù)）

這就是ALU中的一些單元，其實也是一大堆邏輯門巧妙連到一起。

此外我們還需要存儲器（memory），如果ALU計算出來數(shù)據(jù)丟掉那么數(shù)據(jù)也沒什么用了，所以需要內(nèi)存把數(shù)據(jù)保存起來，與ALU一起組成CPU

之前的介紹都是單向順序執(zhí)行的電路，那有什么可以返回的電路呢，通過輸出來控制影響輸入。

進行AND 、NOT、OR組合，變成一個1位鎖存器

輸入STE為1，輸出為1

輸入RESTE為1，輸出為0

如果設置和置位都為0，電路會輸出最后放置的狀態(tài)，所以它就保存住1bit位的數(shù)據(jù)

其中這樣一個1位的鎖存器，放入的動作叫做寫，拿出數(shù)據(jù)的動作叫做讀

為了好顯示，我們使用再高一級別的抽象層，用下面的框圖表示：

隨著芯片鎖存器大小的擴展，正常連接需要的線是非常之多，所以引入了矩陣方式：

為了將地址轉(zhuǎn)化成為行和列 還要用多路復用器，這就是一個基本的SDRAM的組成結(jié)構(gòu)。

SRAM DRAM FLASH NVRAM，大家功能上相似，但是用不同的電路儲存單個bit的數(shù)據(jù)，比如使用不同的邏輯門、電容器、、電荷捕獲或者憶阻器。但是根本上，這些技術(shù)都是矩陣層層嵌套，來儲存大量的信息。

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CPU的代碼語言執(zhí)行以及編程語言的變化過程

通過不同的邏輯門，我們逐漸搭建起了CPU的硬件部分，同時也抽象到了高層次的“微體系架構(gòu)”，我們開始告訴CPU的模塊進行操作，CPU里面都是101二進制數(shù)據(jù)，那怎么和CPU執(zhí)行指令掛上鉤呢？

最早執(zhí)行機器使用就是穿孔卡片，通過穿孔卡片的特殊位置有沒有穿孔，決定機器執(zhí)行的不同步驟。

在計算機早期，程序員編程必須用機器碼寫程序，一般會在會在紙上寫一個“高層次”的描述——偽代碼，例如：從內(nèi)存中獲取當月銷售額，再計算出稅費。

這里展示一個簡單范例代碼，一段機器碼?00101110。

首先這個機器碼分為前四位和后四位，前四位代表操作碼，后四位代表地址。

首先在指令表可以查到?0010 對應著執(zhí)行指令是LOAD_A 意思為從內(nèi)存地址取出數(shù)據(jù)，放到寄存器A中。

CPU看到00101110是怎么執(zhí)行的呢？

首先CPU有兩個執(zhí)行時候的寄存器：

1. 指令地址寄存器，一個追蹤器，負責追蹤程序運行到哪里了；

2. 指令寄存器，負責儲存當前指令

其次，CPU執(zhí)行指令有三個階段: 取指令->解碼->執(zhí)行

取指令：負責把指令從RAM中復制到指令寄存器中

如下所示：CPU把0010 1110放到指令寄存器中

解碼階段：負責解析復制過來的指令對應到操作碼是哪個執(zhí)行，先解析0010

LOAD_A指令的工作：把RAM里面的值放入寄存器A中

再解析后四位1110，為地址14

接下來通過控制單元進行選擇確認是否執(zhí)行l(wèi)oad指令

當然控制單元也是由邏輯門連接起來的，這個時候需要一個電路，檢查操作碼是不是LOAD_A對應的0010

執(zhí)行階段：當確認了執(zhí)行的操作碼，我們就開始執(zhí)行

從地址1110（10進制14）讀取出0000 0011的數(shù)據(jù)，　　因為是LOAD_A指令，我們把該數(shù)據(jù)放進寄存器A，不操作其他寄存器

本次執(zhí)行完成，然后我們就把“指令地址寄存器”+1，執(zhí)行下一條命令，一直重復到代碼結(jié)束。

如果我們遇到了例如加減運算時候，就可以用到ALU了，數(shù)據(jù)寄存器把需要進行add的兩個數(shù)據(jù)輸入，然后在發(fā)送操作碼給ALU，ALU開始執(zhí)行最后輸出到暫存的寄存器，關(guān)閉ALU，最后再把數(shù)據(jù)放入正確的寄存器

除了執(zhí)行動作，現(xiàn)代CPU還有時鐘控制。很早的計算機都是用人工插拔來進行每一條指令的計算，但是對于現(xiàn)在的CPU執(zhí)行頻率來說，人工是做不到這樣的速度，所以現(xiàn)在CPU里面有專門的時鐘進行管理CPU的節(jié)奏，來告訴CPU要取指令-解碼-執(zhí)行。類似于練習樂器時候使用的節(jié)拍器一樣。

前面介紹程序運行時候我們是假設程序已經(jīng)在內(nèi)存里面了，但實際上程序儲存的位置不在內(nèi)存，并且需要在執(zhí)行時候加載到內(nèi)存里面。只要內(nèi)存足夠，不僅可以儲存要運行的程序，還可以存程序需要的數(shù)據(jù)，以及運行程序時候產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)。

不過早期編程都是專家活，不管是全職還是技術(shù)控，都需要非常了解底層硬件，要懂操作碼、寄存器等才能寫程序，所以編程很麻煩，哪怕是工程師和科學家都無法完全發(fā)揮計算機的能力

所以程序員開發(fā)出了一種新語言，更高層次，更可讀性，每個操作碼分配一個簡單的名字——助記符。助記符后面緊跟數(shù)據(jù)，形成完整的指令。這樣程序員就不用0和1去寫代碼，可以用load jump等助記符開始編程，這就是匯編。前面我們講過這些助記符，應該還是比較容易理解的。但是CPU是只能識別二進制的，所以程序員又寫了二進制程序來幫忙，它可以讀懂文字指令，自動轉(zhuǎn)化成二進制指令，這個程序就叫做——匯編器。

匯編器讀取用匯編語言寫的程序，然后轉(zhuǎn)成機器碼。LOAD_A 14 是一個典型的匯編代碼。

發(fā)展到現(xiàn)在，就英特爾的CPU 酷睿i7有上千種指令和指令變種，長度從一個字節(jié)到15個字節(jié)。

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FORTRAN，是IBM1957年發(fā)布的語言，而主持FORTRAN的項目的總監(jiān)John Backus說，他只是因為懶，所以就開發(fā)了新的語言，是的大部分新程序的開發(fā)是因為更高效率的開發(fā)，把一個月的開發(fā)時間編程一周，在變成一天。

就FORTRAN使用效果來說，確實也達到了，平均FORTRAN寫的程序要比同等的匯編寫的代碼少二十倍。然后FORTRAN編譯器會把FORTRAN代碼轉(zhuǎn)為機器碼。

然后陸續(xù)新的語言不斷產(chǎn)生，60年代有ALGOL、LISP和BASIC等語言；70年代有Pascal、C和Smalltalk；80年代有C++、Objectivs-C和Perl；90年代有Python、Ruby和Java；2000開始出現(xiàn)Swift、C#、Go。未來語言還會越來越多，新的語言用新的平臺和新的技術(shù)，讓我們可以快速的開發(fā)使用。

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