计算机底层知识之CPU

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Only the disciplined in life are free. 唯自律者得自由

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大家好，我是「柒八九」。

想必能看到这篇文章的小朋友，大都是有一定编程能力的「程序媛、程序猿」。无论，你是从事切图的前端工作，还是对数据有一种爱而不得的后端开发。更甚者，是和底层打交道的嵌入式开发人员。无论你平时在工作环节中，对编程语言API做到如何的得心应手，但是在遇到一些比较「底层」的逻辑和知识时。或多或少，有点「捉襟见肘」。

而今天，我们又准备开辟一个新的知识体系 --「计算机底层知识」。老话说的好，「不想当将军的士兵不是好士兵」。但是，在你想成为将军的时候，你需要拥有成为将军的知识储备和能力。这也是我们常说的「未雨绸缪」。

如果你对前端一些前沿技术比较了解的话，像WebAssembly/SWC/Rust（硬放到前端也不是不可以）等。他们内核中，无一不透露出，计算机底层的知识。套用唯心主义的话，「存在即合理」，既然是大势所趋，那么我们为什么不顺势而为呢。

而真正的想了解上述前沿技术，拥有扎实的计算机底层方法论是「必不可少」的。而该系列文章就是为了，帮助大家来夯实基础，为了能够在以后的编程道路中，走的更远。

该系列文章的第一篇文章，我们来讲讲「计算机CPU」的常规知识。

好了，天不早了，干点正事哇。

你能所学到的知识点

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1. CPU的内部结构 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
2. CPU是寄存器的集合体 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️
3. 决定程序流程的程序计数器 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
4. 条件分支和循环机制 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
5. 函数的调用机制 「推荐阅读指数」 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
6. 通过地址和索引实现数组

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CPU的内部结构

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CPU是中央处理器 Central Processing Unit的缩写，相当于计算机的大脑，它的内部由数百万至数亿个「晶体管」构成。

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在「程序运行流程」中，CPU所负责的就是「解释和运行」最终转换成「机器语言」的程序内容。

程序运行流程

CPU和内存是由许多晶体管组成的「电子部件」，通常成为集成电路 Integrated Circuit。

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从功能方面来看，CPU的内部是由「寄存器」、「控制器」、「运算器」、「时钟」等四个部分组成，各个部分之间由「电流信号」相互连通。

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CPU的四个组成部分

1. 「寄存器」
   • 用来 「缓存」指令、数据等处理对象，可以将其看作是 「内存的一种」
   • 根据种类的不同，一个 CPU内部户有 20~100个寄存器
2. 「控制器」
   • 负责把 「内存」上的指令、数据等读入 「寄存器」
   • 并根据指令的执行结果来 「控制」整个计算机
3. 「运算器」
   • 负责运算 「从内存读入寄存器的数据」
4. 「时钟」
   • 负责发出 CPU开始计时的 「时钟信号」

内存

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通常所说的「内存」指的是计算机的主要存储器 Main Memory,简称「主存」。

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主存通过「控制芯片」等与CPU相连，主要负责「存储指令和数据」。主存由「可读写」的元素构成，每个字节（1字节=8位）都带有一个「地址编号」。CPU可以通过该地址「读取」主存中的指令和数据，当然也可以「写入」数据。

程序运行机制

程序启动后，根据「时钟信号」，「控制器」会从「内存」中读取指令和数据。通过对这些指令加以解释和运行，「运算器」就会对数据进行运算，「控制器」根据该运算结果来控制计算机。

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CPU是寄存器的集合体

CPU的四个构成部分中，我们只需要了解寄存器即可。这是因为，「程序是把寄存器作为对象来描述的」。

假设，我们存在如下用汇编语言编写的代码。

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「汇编语言」采用助记符 Memonic来编写程序，每一个原本是「电气信号」的「机器语言指令」都有有一个与其「相对应的助记符」。

助记符通常为指令功能的英语单词的缩写。

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汇编代码

例如，mov和add分别是数据的存储和相加的简写。

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「汇编语言和机器语言基本上是一一对应的」

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• 通常我们将 「汇编语言」编写的程序转化成 「机器语言」的过程称为 「汇编」
• 反之， 「机器语言」程序转化成 「汇编语言」的程序的过程称为 「反汇编」

从上述的「汇编代码」中，我们可以看出，「机器语言级别的程序是通过寄存器来处理的」，也就是说，「CPU是寄存器的集合体」。eax和ebp表示的都是寄存器。并且，内存的存储场所「通过地址编号来区分」，而寄存器的种类「通过名字来区分」。

CPU处理程序的大致过程如下：

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使用「高级语言」编写的程序会在「编译」后转化成「机器语言」，然后再通过CPU内部的寄存器来处理。

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寄存器的种类

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不同类型的CPU,其内部寄存器的数量、种类以及寄存器存储的数值范围都是不同的。

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不过，根据功能的不同，我们可以将寄存器大致分为「8类」。

寄存器的主要种类和功能

可以看出，寄存器中存储的内容既「可以是指令也可以是数据」。其中，数据分为「用于运算的数据」和「表示内存地址的数据」

CPU是寄存器的集合体

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决定程序流程的程序计数器

只有1行的有用程序是很少见的，机器语言的程序也是如此。接下来，我们看一下程序是如何按照流程运行的。

下图是程序启动后的内存内容的模型。

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用户发出启动程序的指示后，「操作系统」会把「硬盘」中保存的程序「复制」到「内存」中。

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实例中的程序实现的是将123和456两个数值相加，并将结果输出到显示器上。

前面我们已经介绍过，存储指令和数据的内存，是通过地址来划分的。由于使用机器语言难以清晰地表明各地址存储的内容，因此我们对各地址的存储内容添加注释。实际上，「一个命令和数据通常被存储在多个地址上」，但是为了便于说明，上面的图例中，把指令、数据分配到一个地址中。

大致流程如下：

1. 地址 0100是程序运行的开始位置。
2. 操作系统把程序从 「硬盘」复制到 「内存」后，会将 「程序计数器」（ CPU寄存器的一种）设定为 0100,然后程序便开始运行。
3. 「CPU每执行一个指令，程序计数器的值就会自动加1」
4. 然后， CPU的 「控制器」就会参照程序计数器的数值，从内存中读取命令并执行。

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程序计数器决定着程序的流程

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条件分支和循环机制

程序的流程分为「顺序执行」、「条件分支」和「循环」三种。

1. 「顺序执行」是指按照地址内容的顺序执行指令
2. 「条件分支」是指根据条件执行任意地址的指令
3. 「循环」是指重复执行同一地址的指令

「顺序执行」的情况比较简单，每执行一个指令「程序计数器」的值就「自动加1」.但若程序中存在「条件分支」和「循环」，机器语言的指令就可以将「程序计数器」的值设定为「任意地址」（不是加1）。这样一来，程序便可以返回到上一个地址来重复执行同一个指令，或者跳转到任意地址。

条件分支运行流程

上图表示把内存中存储的数值(示例中是123)的绝对值输出到显示器的程序的内存状态。

大致流程如下：

1. 程序运行的开始位置是 0100地址
2. 随着 「程序计数器」数值的增加
3. 当到达 0102地址时，如果 「累加寄存器」的值是 「正数」，则执行 「跳转指令」（ jump指令）跳转到 0104地址
4. 此时，由于 「累加寄存器」的值是 123,为 「正数」，因此 0103地址的指令被跳过，程序的流程 「直接」跳转到了 0104地址

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「条件分支」和「循环」中使用的「跳转指令」，会参照当前执行的「运算结果」来判断是否跳转。

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前面我们提到过「标志寄存器」。无论当前「累加寄存器」的运算结果是负数、零还是正数，「标志寄存器」都会将其保存。

CPU在进行运算时，「标志寄存器」的数值会根据运算结果「自动设定」。至于是否执行「跳转指令」，则由CPU在参考「标志寄存器」的数值后进行判断。运算结果的正、零、负「三个状态」由「标志寄存器」的三个位表示。

32位 CPU(寄存器的长度是32位)的标志寄存器的示例

「标志寄存器」的第一个字节位、第二个字节位和第三个字节位的值为1时，表示的运算结果分别为正数、零和负数。

CPU比较机制

假设要比较「累加寄存器」中存储的XXX值和「通用寄存器」中存储的YYY值，执行比较的指令后，CPU的运算装置就会在内部进行XXX-YYY的「减法运行」。

无论减法运算的结果是正数、零还是负数，都会被保存到「标志寄存器」中。

• 结果为 「正」表示 XXX比 YYY大
• 结果为 「零」表示 XXX和 YYY相等
• 结果为 「负」表示 XXX和 YYY小

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程序中的比较指令，就是在CPU内部做减法运算

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函数的调用机制

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函数调用处理也是通过把「程序计数器」的值设定成函数的存储地址来实现的

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和「条件分支」、「循环」的机制不同，因为单纯的跳转指令无法实现函数的调用。

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函数的调用需要在完成函数内部的处理后，处理流程再返回到函数调用点(「函数调用指令的下一个地址」)

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上图的示例为 变量a和b分别代入123和456后，将其赋值给参数来调用MyFunc函数的C语言程序。图中的地址是将C语言编译成机器语言后运行时的地址。由于1行C语言程序在编译后通常会变成多行的机器语言，所以图中的地址是「离散」的。

此外，通过「跳转指令」把「程序计数器」的值设定为0260也可以实现调用MyFunc函数。函数的「调用原点」（0132地址）和「被调用函数」(0260地址)之间的数据传递，可以通过内存或寄存器来实现。

当函数处理进行到最后的0354地址时，我们应该将「程序计数器」的值设定成函数调用后要执行的0154地址。我们通过机器语言的call指令和return指令能实现该功能。

call 指令和return 指令

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函数调用使用的是call指令，而不是跳转指令。

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在将函数的入口地址设定到「程序计数器」之前，「call指令」会把调用函数后要执行的指令地址存储在名为「栈」的内存内。「return 指令」的功能是把保存在栈中的地址设定到「程序计数器」中。

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通过地址和索引实现数组

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通过「基址寄存器」和「变址寄存器」可以对「主内存」上特定的内存区域进行划分，从而实现类似于数组的操作

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1. 用 「十六进制数」将计算机内存上 00000000~FFFFFFFF的地址划分出来
   • 凡是该范围的内存区域，只要有一个32位的寄存器，即可查看全部的内存地址
2. 如果想要像数组那样分割特定的内存区域以达到连续查看的目的，使用两个寄存器会更方便

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CPU会把「基址寄存器」+「变址寄存器」的值解释为实际查看的内存地址。

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「变址寄存器」的值相当于高级程序语言程序中数组的「索引功能」

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后记

「分享是一种态度」。

参考资料：《程序是怎样跑起来的》

「全文完，既然看到这里了，如果觉得不错，随手点个赞和“在看”吧。」

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