计算机运行指令怎么用 cpu运行指令的三个步骤

计算机运行指令怎么用 cpu运行指令的三个步骤总述最近一位朋友问我,开发的代码是怎么在芯片运行起来的,我就开始给他介绍代码的预编译、汇编、编译、链接然后到一般的文件属性,再到代码运行。但是大佬问了我一句,CPU到底是怎么执行到每一个逻辑的,

总述

最近一位朋友问我,开发的代码是怎么在芯片运行起来的,我就开始给他介绍代码的预编译、汇编、编译、链接然后到一般的文件属性,再到代码运行。但是大佬问了我一句,CPU到底是怎么执行到每一个逻辑的,就讲了哈CPU的架构。这是时候真的有些迷了,虽然有模电数电的底子,但是自己都说迷糊了,汇编怎么对应到机器码再到怎么执行每一个逻辑。

所以我想了想,我自己也重新学习整理一下,写一篇文章分享给自己也分享给大家。虽然网上也有很多人讲这个过程,我也想用自己的视角去介绍一下。所以我就花了三天时间把《CODE》这本书啃完,然后又看了哈Crash Course Computer Science的视频,现在终于可以写篇文章了。

作者:良知犹存

转载授权以及围观:欢迎添加公众号:Conscience_Remains

1、CPU的硬件最小原子

计算机从上世纪四十年代发展到现在有八十多年了,我们现在开发应用以及很少会涉及到底层的部分,硬件设计的电子专业在学校里面会学习模电数电这两门课,今天的第一部分就从这里说起。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

一般我们不考虑物理的硬件底层的实现逻辑,但是为了后续的机器码的介绍,这里开始介绍CPU的基本组成部分。

我们都知道现在的CPU是无数的晶体管组成,一块很小的CPU用显微镜观察可以看到上百万个元器件,那么最早电脑是啥样的呢?感谢Crash Course Computer Science的视频,下面有很好照片都是从她的视频中截取。以及感谢《CODE》,好多资料也是从此书得来。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

最早的计算机,它有76万5千个组件,300多万个连接点和大约804公里长的用线,这个是真的大,而且它的核心控制还是用继电器实现控制逻辑的。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

此外,它的性能相较于于现在的电脑来说简直微不足道。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

好了言归正传,我们直接介绍现在计算机中的CPU组成,之前用继电器、电子管进行控制计算,这些基本的元器件使得计算机体型庞大,后来半导体的出现,使得计算机的体积大大减小。没有使用半导体的时候,科学家使用继电器等进行控制电路的开关,控制电路电流的高和低,通过布尔代数组合形成我们现在经常说的逻辑门,继而实现数据的控制。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

如上图所以它会出现如下情况

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

这其实就是一个简单开关的与门(AND)电路,所有的变量输入是1的时候,输出才为1。相应的还有非门、或门、异或门等。

那么半导体是如何做到的呢?下面所示是三极管变化而成的与门(AND)电路,通过两个三极管连接(三极管的工作原理可以百度一哈),实现逻辑。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

这是非门(NOT),输入1输出位0,输入位、为0输出为1.

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

这是或门(OR),只有A、B两个同时输入0的时候,输出才为0,其余都为1.

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

这是常用的逻辑门的图形表示以及真值表显示,最后一栏为真值表显示,其中A、B为输入,F为输出。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

基于这些逻辑的组合我们可以变成最小的11位二进制逻辑的加法器,1bit的数据锁存器,再扩展为8位加法器,256M存储器。

2、CPU的模块组成过程

讲完了CPU组成的最小原子结构,接下来我们抽象出来了逻辑门进行

首先我们先介绍一下CPU的基本架构

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

一块完整可以执行程序CPU功能部件,里面有基本的ALU算数逻辑单元、控制单元、外部储存器(储存数据和程序)。

1970年发布的时候,它是第一个封装在单个芯片内完整的ALU。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

ALU(算数逻辑单元)有两个单元:一个算数单元(加法器),负责计算机里的所有数字操作,例如加减法、增量运算等;一个逻辑单元,负责一些简单的数值测试,例如检测ALU输出是否为零的的电路

加法器:

用单个晶体管一个个去拼,把这个电路做出来,到那时会很复杂很难理解。所以我们更高层面的抽象-逻辑门去实现(AND、OR、NOT、XOR)。

下面这是一个1位的加法器:

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

二进制数的“和”可以由异或门得到,而“进位”可以由与门得到,所以可以把异或门和与门结合起来来完成两个二进制数 A和B的加法

AB只能输入0或者1,也就是这个加法器能算0+0,1+0或者1+1。

脱离具体的形状,我们可以把以上的一个加法器,抽象为一个符号用来显示:

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

然后我们在进行扩展,把八个全加器连接,这样就变成了一个8bit的加法器。每个全加器的进位输出都是下一个全加器的进位输入:

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

用一个抽象的框图进行表示,其中输入是A和B标识为从A0~A7及B0~B7。输出为和输出,标识为从 S0~S7:

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

这样我们就构造了一个简单8位的加法器。

逻辑单元:同样AND、OR、NOT、XOR的执行,如下图一个简单的判断输出是否为0的电路

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

它用一堆OR门检查其中一位是否为1,哪怕只有一个输入的bit(位)为1,但都会被被或门到最后一个NOT(非)门进行取反,所以只有输入的数字是0,输出才能是为1。

告诉ALU执行加减法,下面图片里面的的V代表ALU部分

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

通过ALU的FLAGS进行判断,下面有三个标志一个是OVERFLOW(操作超出了总线宽度,设置为true(1))、ZERO(运算结果是否为零)、NEGATIVE(运算结果第一位为1,则设置为true(1),表示为负数)

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

这就是ALU中的一些单元,其实也是一大堆逻辑门巧妙连到一起。

此外我们还需要存储器(memory),如果ALU计算出来数据丢掉那么数据也没什么用了,所以需要内存把数据保存起来,与ALU一起组成CPU

之前的介绍都是单向顺序执行的电路,那有什么可以返回的电路呢,通过输出来控制影响输入。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

进行AND 、NOT、OR组合,变成一个1位锁存器

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

输入STE为1,输出为1

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

输入RESTE为1,输出为0

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

如果设置和置位都为0,电路会输出最后放置的状态,所以它就保存住1bit位的数据

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

其中这样一个1位的锁存器,放入的动作叫做写,拿出数据的动作叫做读

为了好显示,我们使用再高一级别的抽象层,用下面的框图表示:

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

随着芯片锁存器大小的扩展,正常连接需要的线是非常之多,所以引入了矩阵方式:

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

为了将地址转化成为行和列 还要用多路复用器,这就是一个基本的SDRAM的组成结构。

SRAM DRAM FLASH NVRAM,大家功能上相似,但是用不同的电路储存单个bit的数据,比如使用不同的逻辑门、电容器、、电荷捕获或者忆阻器。但是根本上,这些技术都是矩阵层层嵌套,来储存大量的信息。

3、CPU的代码语言执行以及编程语言的变化过程

通过不同的逻辑门,我们逐渐搭建起了CPU的硬件部分,同时也抽象到了高层次的“微体系架构”,我们开始告诉CPU的模块进行操作,CPU里面都是101二进制数据,那怎么和CPU执行指令挂上钩呢?

最早执行机器使用就是穿孔卡片,通过穿孔卡片的特殊位置有没有穿孔,决定机器执行的不同步骤。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

在计算机早期,程序员编程必须用机器码写程序,一般会在会在纸上写一个“高层次”的描述——伪代码,例如:从内存中获取当月销售额,再计算出税费。

这里展示一个简单范例代码,一段机器码 00101110。

首先这个机器码分为前四位和后四位,前四位代表操作码,后四位代表地址。

首先在指令表可以查到 0010 对应着执行指令是LOAD_A 意思为从内存地址取出数据,放到寄存器A中。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU看到00101110是怎么执行的呢?

首先CPU有两个执行时候的寄存器:

指令地址寄存器,一个追踪器,负责追踪程序运行到哪里了;指令寄存器,负责储存当前指令

其次,CPU执行指令有三个阶段: 取指令->解码->执行

取指令:负责把指令从RAM中复制到指令寄存器中

如下所示:CPU把0010 1110放到指令寄存器中

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

解码阶段:负责解析复制过来的指令对应到操作码是哪个执行,先解析0010

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

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,为地址14

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

接下来通过控制单元进行选择确认是否执行load指令

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

当然控制单元也是由逻辑门连接起来的,这个时候需要一个电路,检查操作码是不是LOAD_A对应的0010

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

执行阶段:当确认了执行的操作码,我们就开始执行

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

从地址1110(10进制14)读取出0000 0011的数据,因为是LOAD_A指令,我们把该数据放进寄存器A,不操作其他寄存器

本次执行完成,然后我们就把“指令地址寄存器”+1,执行下一条命令,一直重复到代码结束。

如果我们遇到了例如加减运算时候,就可以用到ALU了,数据寄存器把需要进行add的两个数据输入,然后在发送操作码给ALU,ALU开始执行最后输出到暂存的寄存器,关闭ALU,最后再把数据放入正确的寄存器

了执行动作,现代CPU还有时钟控制。很早的计算机都是用人工插拔来进行每一条指令的计算,但是对于现在的CPU执行频率来说,人工是做不到这样的速度,所以现在CPU里面有专门的时钟进行管理CPU的节奏,来告诉CPU要取指令-解码-执行。类似于练习乐器时候使用的节拍器一样。

前面介绍程序运行时候我们是假设程序已经在内存里面了,但实际上程序储存的位置不在内存,并且需要在执行时候加载到内存里面。只要内存足够,不仅可以储存要运行的程序,还可以存程序需要的数据,以及运行程序时候产生的新数据。

不过早期编程都是专家活,不管是全职还是技术控,都需要非常了解底层硬件,要懂操作码、寄存器等才能写程序,所以编程很麻烦,哪怕是工程师和科学家都无法完全发挥计算机的能力

所以程序员开发出了一种新语言,更高层次,更可读性,每个操作码分配一个简单的名字——助记符。助记符后面紧跟数据,形成完整的指令。这样程序员就不用0和1去写代码,可以用load jump等助记符开始编程,这就是汇编。前面我们讲过这些助记符,应该还是比较容易理解的。但是CPU是只能识别二进制的,所以程序员又写了二进制程序来帮忙,它可以读懂文字指令,自动转化成二进制指令,这个程序就叫做——汇编器。

汇编器读取用汇编语言写的程序,然后转成机器码。LOAD_A 14 是一个典型的汇编代码。

发展到现在,就英特尔的CPU 酷睿i7有上千种指令和指令变种,长度从一个字节到15个字节。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

FORTRAN,是IBM1957年发布的语言,而主持FORTRAN的项目的总监John Backus说,他只是因为懒,所以就开发了新的语言,是的大部分新程序的开发是因为更高效率的开发,把一个月的开发时间编程一周,变成一天。

就FORTRAN使用效果来说,确实也达到了,平均FORTRAN写的程序要比同等的汇编写的代码少二十倍。然后FORTRAN编译器会把FORTRAN代码转为机器码。

CPU中的程序是怎么运行起来的

CPU中的程序是怎么运行起来的

然后陆续新的语言不断产生,60年代有ALGOL、LISP和BASIC等语言;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开始出现Swift、C#、Go。未来语言还会越来越多,新的语言用新的平台和新的技术,让我们可以快速的开发使用。

这就是我分享CPU代码是如何执行起来,里面资料如果大家又想要的,可以我号回复CPU中的程序是怎么运行起来的,后台会自动把资料获取方式发给你,关于本篇文章如果大家有什么更好的思路,欢迎分享交流哈。

【版权声明】零度号提醒您:请在浏览本网站关于《计算机运行指令怎么用 cpu运行指令的三个步骤》信息时,请您务必阅读并理解本声明。本站部分内容以及图片来源于商家投稿和网络转载,如网站发布的有关的信息侵犯到您的权益,请及时与我们取得联系,邮箱:31055 30035@qq.com,我们会尊重您的决定并当天作出删除处理。

(0)
上一篇 2022年 9月 10日 15:33:32
下一篇 2022年 9月 10日 15:34:17

相关推荐

  • 淘宝旗舰店和唯品会哪个正品 唯品会比淘宝便宜很多

    淘宝旗舰店和唯品会哪个正品 唯品会比淘宝便宜很多我是最近才开始接触的到唯品会,以前一直用的淘宝,用了好多年了。对不起唯品会的广告对我来说是白做了,一直没有GET到,哈哈嗝!我是从一个消费者的角度出发,具体分析两个APP之间的区别,并没有人给

    2022年 10月 8日
    147
  • 我的歌声里原唱 70后听的经典老歌

    我的歌声里原唱 70后听的经典老歌“我的歌声里”是由曲婉婷演唱的歌曲,歌曲发行在于2012年7月15日,你还记得当时歌曲的歌词吗?“”你存在,我深深的脑海里,我的梦里,我的心里,我的歌声里”,但是在这首歌的背后,或者你对于曲婉婷这个人了解多

    2022年 10月 28日
    5
  • 苹果手机可以遥控空调吗 苹果手机可以开空调吗?

    苹果手机可以遥控空调吗 苹果手机可以开空调吗?向来纯净无广告的 iOS,竟然频繁出现垃圾信息?花大几千买一台 iPhone,还要被博彩广告天天骚扰?今天,果子在清理手机通知时,竟然看到已经许久没出现过的“新葡京”。果子再认真想想,这些天里似

    2022年 10月 3日
    3
  • 独体结构的字 常用独体字100个

    独体结构的字 常用独体字100个

    2022年 11月 15日
    3
  • 菜市场做什么生意好 菜市场最畅销的生意

    菜市场做什么生意好 菜市场最畅销的生意都说360行行行出状元,只要努力都有可能赚大钱,但不是每种职业都有人想做,尤其是进入商业社会,就算薪水不多,大部分的人也会选择光鲜亮丽的办公室工作,事实上很多看似没有前途的行业却是低调赚大钱的生意,现在

    2022年 10月 1日
    26
  • 圆的等分计算公式 法兰钻孔4等分怎么计算

    圆的等分计算公式 法兰钻孔4等分怎么计算先看几张效果图吧:图1图2怎么样?漂亮吧!我要告诉你的是,这不是电脑画的,是手工图的,想不想画一画?不难,相信我,会圆的等分就行啦,学会了,你会做出更漂亮的图哦。1、 什么是圆的等分圆的等分,就是把圆

    2022年 11月 2日
    4
  • 航海王燃烧意志黄猿加点图 2022燃烧的意志三大将加点

    航海王燃烧意志黄猿加点图 2022燃烧的意志三大将加点SR一哥:山治首先被动一定是要都满的, 然后就是3+2和终结带奥义,满配技能的标准,只不过3魂的3级绞肉和1级绞肉可以任选其一,2魂的选择有串烧和踢技套餐,小编这里比较推荐大家点满踢技套

    2022年 9月 17日
    8
  • 巧克力的由来 巧克力是怎么诞生的

    巧克力的由来 巧克力是怎么诞生的今天开始,我们一起来了解巧克力。第一个问题:巧克力是用什么做的?大家都知道巧克力是用可可加工而成的。可可树是一种热带的乔木,在南北回归线以内范围内生长,需要一定的温度和湿度才能存活。可可树的果实是一种荚果,直

    2023年 1月 22日
    9
  • 历史上汉朝统治多少年 宋朝统治多少年历史

    历史上汉朝统治多少年 宋朝统治多少年历史一部厚重的中国史,就是一部中国各民族诞生、发展、战争,融合并共同缔造统一国家的历史,华夏各族人民开疆扩土,共同缔造了统一的多民族国家,共同发展了悠久灿烂的中华文化。1、夏朝:约公元前2029年-约公元

    2022年 9月 17日
    0
  • 微信推荐好友怎么操作 为什么微信推荐的人添加不了

    微信推荐好友怎么操作 为什么微信推荐的人添加不了是一款社交应用,主打熟人社交(说过了?重要的事情再说一遍,嘻嘻),它的功能非常丰富,这个系列我们就来聊聊比手机通讯录强大100倍的交友系统。在页面点击【+】->【添加朋友】即可进入添加朋友页面

    2023年 1月 25日
    20
分享本页
返回顶部