计算机基础_程序是怎样跑起来的_01_CPU是什么？

CPU是什么?

0、热身问题

1. 程序是什么？
   指示计算机每一步动作的一组指令。
2. 程序由什么组成？
   指令和数据。
3. 什么是机器语言？
   CPU可以直接识别并使用的语言。
4. 正在运行的程序存储在什么位置？
   内存。
5. 什么是内存地址？
   内存中，用来表示指令和数据存储位置的数值（类比“门牌号”）。
6. 计算机的构成元件中，负责程序的解释和运行的是哪个？
   CPU。

之前只知道CPU是中央处理器（Central Processing Unit），相当于计算机的大脑，它的内部由数百万至数百亿个晶体管构成，但其实了解这些还是远远不够的。

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1、CPU的内部结构解析

CPU的功能：解释和运行机器语言的程序内容。

CPU的组成：

1. 寄存器：负责暂存指令、数据等处理对象；
2. 控制器：负责把内存上的指令、数据读入寄存器，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。

各部分之间由电流信号相互流通。

接着简单说一下内存（后面又章节会提到）。

内存指的是计算机的主存储器（mian memory），简称主存。主存通过控制芯片等CPU相连，主要负责存储指令和数据。CPU可以通过地址编号读取主存中的指令和数据。

程序的运行机制：程序启动后，根据时钟信号，控制器会从主存中读取指令和数据到寄存器中，进而对这些指令和数据加以解释和运行，运算器对数据进行运算，控制器再根据结果来控制计算机。

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2、CPU是寄存器的集合体

CPU的四个构成部分中，我认为寄存器是最重要的，因为程序是把寄存器作为对象来描述的。

不同的CPU内部的寄存器的数量、种类以及寄存器存储的数值范围都是不同的。

根据寄存器的种类，大致分为八类，如下表所示。

表1 寄存器的主要种类和功能

寄存器	功能
累计寄存器（accumulator register）	存储执行运算的数据和运算后的数据
标志寄存器（flag register）	存储运算处理后的CPU状态
程序计数器（program register）	存储下一条指令所在内存的地址
基址寄存器（base register）	存储数据内存的起始地址
变址寄存器（index register）	存储基址寄存器的相对地址
通用寄存器（general register）	存储任意数据
指令寄存器（instruction register）	存储指令 （CPU内部使用，程序员无法操作）
栈寄存器（stack register）	存储栈区域的起始地址

对于程序员来说，CPU就是具有各种功能的寄存器的“集合体”。

一般而言，程序计数器、标志寄存器、累加寄存器、指令寄存器和栈寄存器只有一个。而基址寄存器、变址寄存器、通用寄存器一般不止一个。

后面会经常提及这些寄存器，所以每个寄存器的大致功能要记住，才不会看得一头雾水。

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3、决定程序流程的程序计数器

以“123和456这两个数值相加，并将结果输出到显示器上”这个例子来展示程序执行的流程。

备注：一般数据和指令都是存储在多个地址上的，即一个数据或者一个指令可能会占据多个字节，但是本例为便于说明，把数据和指令分配到一个地址上。

地址0100是程序运行的开始位置，当操作系统把程序加载到内存后，会将程序计数器设定为“0100”。

CPU的控制器会参照程序计数器的值从内存中读取相应指令并执行，每执行完一个指令，程序计数器的值加1，即“0101”。

注：若指令占据多个内存地址时，程序计数器的值则加上加上相应的数值。

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4、条件分支和循环机制

程序流程分为：

1. 顺序执行：按照地址内容的顺序执行指令。
2. 条件分支：根据条件执行任意地址的指令。
3. 循环分支：重复执行同一地址的指令。

顺序执行，霉执行一个指令，程序计数器的值就加1（若指令占多个内存地址时，则加上相应的数值）。

条件分支和循环分支，机器语言的指令就可以将程序计数器的值设为任意地址。

以“输出123的绝对值到显示器”的程序为例。

当执行到地址为“0102”的指令时，此时累加寄存器的值大于0，则跳转执行地址为“0104”的指令，这就是条件分支。

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5、函数的调用机制

函数调用机制：通过把程序计数器的值设定成函数的存储地址来实现的。

在编译高级变成语言的程序后，函数调用的处理会转换成机器语言的“call”指令，函数结束的处理会转成机器语言的“return”指令。

call指令：在程序计数器的值被设定为函数的入口地址前，call指令会把函数执行结束后要执行的指令地址存储到栈的主存内。

return指令：函数执行完毕后，通过函数出口执行return指令，把保存在栈中的指令的内存地址设定到程序计数器。

下面以“调用MyFunc函数”的C语言程序片段举例。

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6、通过地址和索引实现数组

再次回顾一下基址寄存器和变址寄存器的功能。

基址寄存器（base register)：存储数据内存的起始地址。

变址寄存器（index register) ：存储基址寄存器的相对地址。

假设计算机内存上划分着“0x 0000 0000 ~ 0x FFFF FFFF”这些内存地址，我们可以使用一个32位的寄存器来查看我们需要的内存地址。

但是，假设我们要查看“0x 1000 0000 ~ 0x 1000 FFFF”的地址时，我们也可以使用两个寄存器来操作，这样就更方便。

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7、CPU的处理其实很简单

虽然高级编程语言编写的程序看起来很复杂，但是CPU实际处理的事情很简单。CPU能执行的机器语言指令很少，只是通过不断的重复执行某个运算而已。

表2 机器语言指令的主要类型和功能

类型	功能
数据传送指令	寄存器和内存、内存和内存、寄存器和外围设备之间的数据读写操作
运算指令	用累加寄存器执行算术运算、逻辑运算、比较运算、移位运算
跳转指令	实现条件分支、循环、强制跳转等
call / return 指令	函数的调用 / 返回调用前的地址

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8、补充：比特和字节

8.1、比特

比特bit是二进制位（Binary digit）的简称，一个二进制包含的信息量成为一比特bit。

比特（bit）是计算机内部数据存储的最小单位。

二进制在效率和成本方面的优势为全世界所接受，现在电脑所有的信息都是二进制的，就是0和1组成的。

8.2、字节

字节Byte是计算机数据处理的最小单位。

习惯上用大写的“B”表示，每个字节有8个二进制位，其中最右边的一位为最低位，最左边的一位为最高位，每个二进制位的值不是0就是1。

一个字节由8个二进制位组成，即“1 Byte = 8 bit”，这也是计算机设计时规定的。

相关换算：
1 Byte = 8 bit
1 KB = 1024 Byte = 1024 * 1 Byte = 1024 * 8 bit = 8 Kb

注意：K是1024，即2^10，并不是1000。
1 MB = 1024 KB
1 GB = 1024 MB
1 TB = 1024 GB

8.3、字

字和字节都是计算机的存储单元。

字由若干个字节组成，一个字节是8个比特bit。

字的位数叫做字长，即cpu一次处理二进制代码的位数。

字长与计算架构有关，比如32位机，一个字就是32位，换算成字节就是4字节；同样的64位机，一个字就是64位，也就是8字节。字也是计算机一次处理数据的最大单位。

字 与 字节的换算：
32位计算机：1字 = 32位 = 4字节
64位计算机：1字 = 64位 = 8字节

8.4、32位机和64位机

我们的电脑是32位还是64位主要是受到电脑cpu、主板硬件决定的，32位的cpu一次处理32位数据，64位的就处理64位数据。

简单理解就是64位在性能上远远强于32位。

比如32位操作系统最大支持4G内存，如果电脑内存小于4G的话，是不能安装64位操作系统的。

那为什么是4G呢？

这个在后面讲“内存”时我们会说，现在先简单地提一下。

首先呢，4G指的是4GB。32位指的是CPU的32位地址线，可以访问2^32个不同的地址单元。一个地址单元是1Byte。

2^32 * 1 B 
= 2^2 * 2^10 * 2^10 * 2^10 B 
= 4 * 1024 * 1024 * 1024 B 
= 4 * 1024 MB 
= 4 GB

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注：如有错误，敬请指正。