计算机CPU工作原理及汇编语言简介

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      在之前的文章中， 基于“冯诺依曼结构”，我们制作了一台简易计算机，如下图所示：

      其中有CPU的影子：
       a. U3加法器对应CPU运算器。
      b. U1计数器、U4触发器、时钟信号、U5非门，这四个部件对应CPU控制器。
      深入理解这个简易计算机的工作流程，有助于理解CPU的工作原理(本文会讲述)。

      我们可以继续用proteus来画更复杂的电路图，并自定义CPU指令集，实现更强大的功能。
      然而，无论我们怎么设计电路来制作CPU，它永远只是冰山一角的一个小小冰点， 离Intel或AMD的商用CPU有太远太远的距离。我们不可能也没必要画出那么复杂的CPU(几十亿个晶体管器件)。
      因此，我们需要从底层复杂的电路图设计中解脱出来，站在更高的层次和更高的抽象度上来看待CPU.

      CPU是Central Processing Unit的缩写， 翻译过来就是中央处理器，看这名字，就知道它是很重要的东西。本文在叙述时，有的地方用CPU，有的地方用微处理，它们都是一个意思。

       本文主要分为三个部分：

CPU发展历史

CPU工作原理及8086CPU简介

汇编语言简介

一. CPU发展历史
      1947年，那是一个冬天，有三位牛人，在贝尔实验室发明了晶体管，神话般的传说......
      1948年，他们申请了专利，并于1956年获得了诺贝尔物理学奖。肖克利和仙童“八叛逆”的事情，我们之前已经讲过，故不再展开介绍。
      1968年，“八叛逆”中的罗伯特诺依斯和戈登摩尔，以及安迪格鲁夫共同创立了鼎鼎大名的Intel公司。大家应该对这三个人略有耳闻：罗伯特诺依斯曾陪乔布斯解惑伤心往事；戈登摩尔发明了沿用至今的摩尔定律；安迪格鲁夫写过一本书叫《只有偏执狂才能生存》。
      1971年，又是一个冬天，Intel工程师特德霍夫，发明了世界上第一款商用微处理器4004，它是一个通用的微处理器，内部集成了2250个晶体管，有45条指令，每秒运算6万次。特德霍夫被英国《经济学家》杂志称为“二战以来最有影响力的科学家之一”。Intel CEO戈登摩尔将4004称为"人类历史上最具革新性的产品之一"。
       4004微处理器外观图如下：

       后来，Intel又研发了经典的8086微处理器，本文会对8086微处理器进行具体介绍，故暂且不表。

       事实上，在那个年代， 有很多公司都参与了微处理器的研发，Intel只是其中的典型代表之一，我们不对所有的微处理器进行介绍，仅来看一下Intel微处理器的发展历程，如下表所示：

       我此刻写公众号文章，正在使用的电脑的CPU芯片，就是Intel公司的Pentium(奔腾)型号：

二. CPU工作原理及8086CPU简介

       我们来审视一下自制的简易计算机，其根本部件就是CPU和存储器，我们来看看CPU如何与内存进行交互：

        a. 地址线：指定数据在内存中所在的地址

        b. 数据线：指定数据的值具体是多少

        c. 控制线：指定控制信号(控制信号的种类非常多)，比如指定究竟是从内存中读出数据，还是向内存中写入数据。

       来看一下CPU从内存中读取数据的过程。例如：从地址为3的内存单元中读出数据，读出的数据是8，如下图所示：

       再看CPU向内存中写入数据，也是类似的逻辑。例如，把数据8写入到地址为3的内存单元中，如下图所示：

        来看CPU如何传递地址信息。下图中CPU有10根地址线，因此可以对应1024个内存单元(每个内存单元是1B)，所以，我们可以说这个CPU的寻址能力是1KB.

       来看一下CPU如何传递数据信息。对于8088CPU而言，有8根数据线。所以，传送16位二进制数据时，需要操作两次，如下图所示：

      

      而8086CPU中有16跟数据线，所以，传送16位二进制数据，只需要一次即可，如下图所示：

      下图是CPU和各类存储器的连接逻辑图：

      从CPU的角度看，CPU将系统各类存储器看作是一个逻辑存储器，如下图所示：

       以8086CPU为例，它的地址线有20根，故8086CPU的寻址能力是1MB, 其对应的地址空间就是00000H~FFFFFH, 总共能对应2^20个内存单元，如下图所示：

       我们来具体看看CPU是如何与内存交互的，如下图所示：

        CPU的主要工作流程如下：

        a. 读取指令：控制器的PC中，存储了待执行指令的地址，并根据这个地址，从内存的代码段读出指令内容，存放到IR中。

       b. 指令译码：控制器中译码电路，对IR中的指令内容进行译码，确定究竟该执行什么操作。注意，在指令译码后，还需要更新PC, 使得PC指向下一条指令，便于让CPU不知疲倦周而复始地工作。

        c.  执行指令：根据指令译码的结果，可能会去内存的数据段读取数据，传到寄存器中，进而传递到运算器，进行运算。运算之后，可能需要把数据结果写回到内存的数据段。

       CPU三“步”曲如下：

       海可枯，石可烂，天可崩，地可裂，但这种循环永不改变。CPU完全按照人写的程序指令，来执行任务，它本身没有任何智能和思维。

       而且，我们应该注意到：在“冯诺依曼结构”中，指令和数据都存放在内存中，具有同等的地位。对于内存而言，里面存放的无非就是二进制数字，至于这些数字表示的是指令还是数据，内存自身并不能区分。这些数字的含义，取决于读取者CPU怎么理解。比如，CPU将程序计数器PC指向的内容理解为指令，而在其它场景，可能就理解为数据。

       所以，在数据线上传输的内容，可能是数据(程序数据)，也可能是指令(程序指令)。它们都是广义上的数据。

       思考一下这个问题：如果强制让PC指向内存的数据段，会怎样呢？显然，CPU仍然把数据当做指令来处理，当然这个指令也有可能超出CPU指令集的范围，无法正常执行。

      我们已经介绍了通用CPU的工作原理，若要更深入理解并操作CPU, 还是得针对具体型号的CPU. 以经典的8086CPU为例,  其外观图如下：

       8086CPU外部引脚图如下：

       8086CPU内部结构图如下：

        简单总结一下8086CPU：

       a. 8086CPU包括控制器和运算器，还有14个寄存器。部分寄存器起到了控制的作用，所以，可以归纳为属于控制器。这14个寄存器都是16位的，它们是：

       b. 8086CPU有20根地址线，因此，可以对应2^20个存储单元(1个存储单元是1B), 所以，8086的寻址能力是1MB.  我们知道，8086CPU的寄存器是16位的，那如何给20根地址线提供数据的呢？很显然，可以考虑用两个寄存器(比如CS和IP)。在叙述通用CPU时，一般用PC来表示程序计数器，8086CPU是一种具体的CPU, 其实现PC的方式是CS:IP, 即有PC = CS * 16 + IP, 如下所示：

        c. 8086CPU有16根数据线，一次就可以传送16位二进制数据，如下：

       d. 字长是CPU一次能处理的数据的位数，通常与寄存器位数有关。前面已经说过，8086CPU的寄存器都是16位的，所以，8086CPU的字长就是16位。来看看AX如何存储16位二进制数据：

      我们大致熟悉了8086CPU的结构，现在问题是，怎么操作和使用它呢？钻到里面去用手掰弄开关吗？显然不行，因为你我根本钻不进去。
      还是得请机器语言0和1出场了，机器语言完全由一系列的0和1组成，非常不好懂，而且容易出错，也很难排查错误，烦人得很，看一眼就头晕：

       如果对机器语言还心存幻想， 不妨看看下面这段机器语言程序，它的功能是在屏幕上输出"welcome to masm":

       其中0和1不能有一丁点错误。一个正常的人，是没法忍受机器语言程序的。而且，如今这个年代，已经几乎没有人用机器语言来编写程序了。机器语言繁琐，需要用汇编语言来简化编程。

      在之前的文章中，我们说过，人写了汇编语言后，需要经过汇编器工具的转换，自动生成天书般的机器语言，过程如下：

      所以，我们还是用汇编语言来辅助描述CPU的执行流程吧。
 
       在了解8086CPU是如何执行指令前，我来提一个问题：CPU的指令集存放在哪里？
      有人说，CPU指令集存放在CPU中，有人说，存放在内存中。这有点搞笑了
      CPU指令集存放在CPU的使用手册中。所谓的CPU指令集，就是操作CPU的方法，这些操作方法，当然是存在于CPU使用手册中。而这些操作方法，则具体是由CPU的电路来实现的。

      我们来看8086CPU是如何执行程序指令的，以如下汇编指令为例：
mov ax, 0123h
mov bx, 0003h
mov ax, bx
add ax, bx
       这些汇编指令，与机制语言指令是对应的，它们以二进制的方式存储在内存中。为了方便阅读，我们以十六进制的方式进行展示，如下图所示：

       下面，来看看8086CPU执行这段指令的过程。
       初始状态如下(CS = 2000H, 图中标注的是十六进制)：

       执行地址加法(注意PC = CS * 16 + IP, 这里的16就是10H)：

       于是，PC =20000H，如下：

        用地址总线来传递PC的值:

      从内存中读出数据(指令)，对应的机器语言指令的十六进制是B8 23 01，其汇编指令是mov ax, 0123H , 如下：

        把这条指令存储到指令缓冲器(即我们前面提到的指令寄存器IR),  然后，译码电路完成译码功能。指令缓冲器中的指令内容如下：

      然后IP会变化，PC也就随之变化了，指向下一条指令，如下：

       现在开始执行IR中的指令(mov ax, 0123H)，如下：

       执行后的结果是：

       到此为止， CPU已经完整地执行了第一条指令：mov ax, 0123H,  可以看到，CPU似乎又回到了初始状态，不同之处是，现在IP = 0003H, 也就是说，PC指向了下一条指令。

      接下来的CPU执行流程，就很俗套了，无非就是重复再重复而已。我们不详细介绍每个细节，直接给出重要步骤的结果：

      终于，我们得到了结果，如此简单而清晰：

      通过上面的分析，我们很容易理解8086CPU的具体工作过程。可以看到：
      CPU周而复始地执行人设定的指令(程序)，CPU并不智能，也不具备思考能力，它就是个干蛮力、干苦力的家伙，一根筋干到底。这种枯燥无味的繁重工作，就应该让CPU去做，而且，它还几乎不会犯错。可以说，CPU解放了生产力，解放了全人类。

三. 汇编语言简介
      我们已经讲述了8086CPU执行指令的具体过程, 但仍然会有这样一个疑问：

     在各种高级语言琳琅满目的21世纪，很少有人用汇编语言进行编程，汇编语言开发效率低，而且还不可移植。那么，我们为什么还需要了解和学习汇编语言呢？

      其实，我们学习汇编语言，不是为了用汇编语言去编写大型的程序和软件，而是因为：

      a. 汇编语言是直接操作计算机硬件的语言，通过汇编语言编程，可以获取底层编程的感觉。直接指挥控制计算机，这种感觉很奇妙。通过汇编语言，可以深入理解计算机的工作原理，对后续学习计算机的其它课程(比如操作系统)很有好处。熟悉汇编语言，也能提升自信，偶尔还可以在闲谈聊天时吹水。
      b. 我们在用高级语言编写软件程序时，经常需要调试，有时候需要跟踪到汇编语言这一层，才能明白问题之所在，汇编语言是最后的一根救命稻草。
      c. 在进行性能优化时，需要用到汇编语言。对于多数程序员而言，是不需要用汇编语言进行性能优化的。但是，当我们看操作系统或优秀开源组件的源码时，会经常看到汇编语言代码，如果我们熟悉汇编语言，至少能读懂，那么也就不害怕了。

      在学习汇编语言之前，我们先来看一下与汇编语言有关的几个基本问题：
      a. 同一CPU的汇编语言和机器语言是一一对应的吗？
      由于汇编规范可以有多种(比如Intel汇编规范和AT&T汇编规范)，所以，机器语言可能有不同的汇编语言形式。可以这么说，当汇编规范确定后，机器语言和汇编语言是一一对应的。
      b. 汇编语言是CPU厂商规定的吗？
      CPU厂商只负责设计和制作CPU的电路硬件部分，并提供手册告诉使用方如何来操作CPU. 这个手册中，必须提供操作CPU的机器语言， 一般也会提供其对应的简记方式(汇编助记符)， 编译器厂商拿到这个汇编助记符手册，定义汇编语言规范，开发对应的汇编器，把汇编语言程序转化为CPU厂商要求的机器语言程序。所以，汇编语言是编译器厂商根据CPU厂商的指令集说明书来规定的。需要补充说明一点，CPU厂商通常也会提供SDK，方便使用CPU.
      c. 汇编语言为什么不具有可移植性？
      我们自制简易计算机的CPU和8086CPU的电路结构不一样， 所以，操作方式不同(指令集不同)，机器语言也不同，汇编语言也不同。因此，汇编语言不具备移植性。你辛辛苦苦地写好汇编语言程序后，只能在某款CPU上运行，没法在其它类型指令集的CPU上运行，挺尴尬的，这也是汇编语言的局限性之一。

      学习汇编语言，一定要动手实际操作。可以采用masm(Windows平台)或者nasm(Linux平台)作为汇编器工具。如果是在Windows平台上，可以在dos中进行debug，嗯，就是那个命令行黑框框：

       这些命令行式的东西，不直观，不好用。直到遇到Windows平台上的emu8086界面工具, 才知道什么叫相见恨晚，如下：

       工欲善其事，必先利其器。建议在学习汇编语言时，使用emu8086这种界面工具，它是所见即所得的。工具的安装和使用很简单，基本都是傻瓜式的操作，故无需介绍。

       现在开始用emu8086工具来介绍汇编语言。
      之前用自制简易计算机实现了连续加法(1+2+3+4+5)，那该如何针对8086CPU编写汇编语言，来实现这个连续加法呢？如下：
assume cs:code

code segment
  mov ax, 0  
  add ax, 1
  add ax, 2
  add ax, 3
  add ax, 4
  add ax, 5
  
  mov ax, 4c00h
  int 21h    
code ends

end
      我们来看下emu8086的初始状态，盯住CS和IP, 它是程序执行的起点，如下图：

      可以看到， CS = 0100H， IP = 0000H, 所以，即将执行的汇编指令是：
mov ax, 0

       我们利用emu8086工具来做单步调试，能看到CPU内部每一步操作的详细信息，当add ax, 5 执行完毕后，可以看到，ax的值是000FH, 也就是十进制的15，如下所示：

      这个程序中的语句，比较简单，所以，我们不做详细解释。

      1加到5很简单，如果要计算1加到100呢？难道要把add ax重复写100遍吗？显然不是，直接用循环指令吧，汇编语言程序如下：
assume cs:code

code segment
  mov ax, 0  
  mov bx, 0   
  mov cx, 100
  
  label:  
  inc bx
  add ax, bx
  loop label
  
  mov ax, 4c00h
  int 21h    
code ends

end
      执行完毕后，ax = 13BAH, 也就是十进制的5050, 和高斯小朋友当年算出的结果完全一致，如下：

      这个程序中的每条语句，也比较简单，毕竟都是语法层面的玩意儿，所以，就不一一解读了。

      至此，我们基本了解了汇编语言，至于汇编语言进阶的学习，那也不难，有emu8086在手，还担心什么呢？建议有兴趣的朋友，多多演练和调试。

       我们来总结一下本文内容：
       首先，我们简要介绍了CPU的发展历史。
       然后，我们介绍了CPU的工作原理，并对8086CPU执行程序指令做了详细讲解。
       最后，我们讲了汇编语言的重要性和必要性，并用简单的示例，进行汇编语言入门级的演练。

      还是那句话，我们了解和学习汇编语言，绝不是为了将来用汇编语言去编写软件程序，而是为了深入理解计算机的工作原理。
      从电路操作开始，我们的关注点在电路层面，当电路复杂后，感觉控制电路已经力不从心了。
      于是，我们开始用机器语言来控制电路， 一串串的0和1组成的机器语言，可以控制电路，但天书般的机器语言，已经让我们眼花缭乱。
      于是，我们开始用汇编语言来控制电路， 我们需要操作CPU的每个部件，告诉CPU电路如何去执行指令， 这种过程，依然是心力交瘁的感觉。看下图来感受一下对比，那么多杂乱的机器语言和汇编语言， 被高级语言(C语言)一行简单代码就搞定了：

  
      从直接掰弄开关来操作电路，到机器语言，到汇编语言，再到高级语言(比如C语言)，这是一个不断远离具体细节、不断进行抽象、不断接近事物本质的过程。在这种不断的抽象过程中，编写程序的人，从繁琐中得以解脱，编写程序的效率得到了提升。那些繁琐的步骤，还是交给编译器工具和汇编器工具吧。

      我们已经详细介绍了8086CPU, 然而，它只是微处理器，不包含RAM和ROM, 因此，8086CPU不是一台完整的计算机。在后续文章中，我们会介绍一台完整的计算机(8051单片机)，并用高级语言(C语言)来编写程序，达到控制单片机的目的。

       单片机和C语言，不见不散