大家的C语言-101-计算机的核心CPU

什么是程序

上一篇介绍了计算机是如何工作的。但同学们已经发现了使用计算器的过程十分麻烦。谁也不会为了求2+1去设置一大堆开关。但要计算一万次加法，机器就显示出了它的优势。只要能使设置开关的和获取结果的过程自动完成即可。

继续2+1的例子，我们把指令和操作数按顺序排列成表中的二进制数序列：

顺序	数字	指令/数据
0	000	指令
1	010	操作数
2	001	指令
3	010	指令
4	001	操作数
5	011	指令

可以发现，每次计算加法的过程都是相同的，唯一需要改变的是两个操作数的值。如果设计一个电路能自动地按照表中顺序设置计算器的开关，并将计算器的输出端状态保存起来，就实现了加法的自动化。要算一万次加法，只需要事先写好一万次这个序列让机器执行就可以了。

这种有一定顺序的可以让机器自动执行的二进制序列就叫做程序。程序包括指令、操作数和数据。其中数据指的是图片、音效、文本等，但无论什么数据对于计算机来所都是二进制数。

内存和控制器

明确了什么是程序，接下来就是如何让计算器自动执行程序了。引入两个新元件：一个叫做控制器，一个叫做主存储器。

主存储器的作用是保存程序，并且可以供控制器读取程序。并且控制器可以将计算结果保存到主存储器中。我们最常见的主存储是内存。内存的特点是只能在通电的情况下才能工作。控制器从主存储器中读取程序的操作叫做读操作，将结果保存到主存储器的操作叫做写操作。相应的对于内存的读写操作，就叫做读内存和写内存。

控制器作用是从主存储器中读指令和数据，然后将指令设置到计算器的控制端上，将操作数设置到计算器的输入端上，并将计算器输出端的状态保存到主存储器中。

最后整个装置如下图：

这样我们只需要将程序保存到内存中，控制器就可以自动读取程序，并控制计算器工作。最终我们可以从内存中得到计算结果。

控制器和计算器合并在一起被称为CPU，即中央控制单元。实际上完整的CPU不仅仅包括控制器和计算器。CPU通常还有IO控制器用来控制键盘、鼠标、硬盘、显示器、内存、硬盘等。

CPU和主存储器通过总线链接。总线实际上就是一组导线，只不过它被嵌入在主板中。

指令集

上表只是举个例子。真实的CPU支持的指令可不仅仅有4个。而且同样的指令，对于不同的CPU对应的二进制数也不一样。比如，A品牌CPU的加法指令对应11110000，B品牌CPU的加法指令对应00001111。CPU支持多少指令和每个指令对应的二进制数被称为指令集。目前最流行的指令集有两个，一个是以Intel和AMD为代表的X86指令集（主要用于服务器和桌面系统平台），另一个是ARM指令集，主要用于移动设备（如麒麟CPU、骁龙CPU等）。