【干貨】CPU怎么識別我們寫的代碼？

時間：2021-11-09 14:20:48

關(guān)鍵字： CPU 代碼

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[導(dǎo)讀]從底層硬件角度出發(fā)剖析了一下CPU對代碼的識別和讀取，內(nèi)容之精彩，讀完感覺學(xué)到的很多東西瞬間聯(lián)系起來了，分享給大家。先說一下半導(dǎo)體，啥叫半導(dǎo)體？就是介于導(dǎo)體和絕緣體中間的一種東西，比如二極管。相關(guān)文章：關(guān)于二極管的基礎(chǔ)知識。電流可以從A端流向C端，但反過來則不行。你可以把它理解成...

從底層硬件角度出發(fā)剖析了一下CPU對代碼的識別和讀取，內(nèi)容之精彩，讀完感覺學(xué)到的很多東西瞬間聯(lián)系起來了，分享給大家。先說一下半導(dǎo)體，啥叫半導(dǎo)體？就是介于導(dǎo)體和絕緣體中間的一種東西，比如二極管。相關(guān)文章：關(guān)于二極管的基礎(chǔ)知識。電流可以從A端流向C端，但反過來則不行。你可以把它理解成一種防止電流逆流的東西。當(dāng)C端10V，A端0V，二極管可以視為斷開。當(dāng)C端0V，A端10V，二極管可以視為導(dǎo)線，結(jié)果就是A端的電流源源不斷的流向C端，導(dǎo)致最后的結(jié)果就是A端＝C端＝10V。等等，不是說好的C端0V，A端10V么？咋就變成結(jié)果是A端＝C端＝10V了？你可以把這個理解成初始狀態(tài)，當(dāng)最后穩(wěn)定下來之后就會變成A端＝C端＝10V。文科的童鞋們對不住了，實在不懂問高中物理老師吧。反正你不能理解的話就記住這種情況下它相當(dāng)于導(dǎo)線就行了。利用半導(dǎo)體的這個特性，我們可以制作一些有趣的電路，比如【與門】。此時A端B端只要有一個是0V，那Y端就會和0V地方直接導(dǎo)通，導(dǎo)致Y端也變成0V。只有AB兩端都是10V，Y和AB之間才沒有電流流動，Y端也才是10V。我們把這個裝置成為【與門】，把有電壓的地方計為1，0電壓的地方計為0。至于具體幾V電壓，那不重要。也就是AB必須同時輸入1，輸出端Y才是1；AB有一個是0，輸出端Y就是0。其他還有【或門】【非門】和【異或門】，跟這個都差不多，或門就是輸入有一個是1輸出就是1，輸入00則輸入0。非門也好理解，就是輸入1輸出0，輸入0輸出1。異或門難理解一些，不過也就那么回事，輸入01或者10則輸出1，輸入00或者11則輸出0。（即輸入兩個一樣的值則輸出0，輸入兩個不一樣的值則輸出1）。這幾種門都可以用二極管或者三極管做出來，具體怎么做就不演示了，有興趣的童鞋可以自己試試。當(dāng)然實際并不是用二極管三極管做的，因為它們太費電了。實際是用場效應(yīng)管（也叫MOS管）做的。然后我們就可以用門電路來做CPU了。當(dāng)然做CPU還是挺難的，我們先從簡單的開始：加法器。相關(guān)文章：CPU如何進行數(shù)字加法。加法器顧名思義，就是一種用來算加法的電路，最簡單的就是下面這種。AB只能輸入0或者1，也就是這個加法器能算0＋0，1＋0或者1＋1。輸出端S是結(jié)果，而C則代表是不是發(fā)生進位了，二進制1＋1＝10嘛。這個時候C＝1，S＝0。費了大半天的力氣，算個1＋1是不是特別有成就感？那再進一步算個1＋2吧（二進制01＋10），然后我們就發(fā)現(xiàn)了一個新的問題：第二位需要處理第一位有可能進位的問題，所以我們還得設(shè)計一個全加法器。每次都這么畫實在太麻煩了，我們簡化一下。也就是有3個輸入2個輸出，分別輸入要相加的兩個數(shù)和上一位的進位，然后輸入結(jié)果和是否進位。然后我們把這個全加法器串起來：我們就有了一個4位加法器，可以計算4位數(shù)的加法也就是15＋15，已經(jīng)達到了幼兒園中班水平，是不是特別給力？做完加法器我們再做個乘法器吧，當(dāng)然乘任意10進制數(shù)是有點麻煩的，我們先做個乘2的吧。乘2就很簡單了，對于一個2進制數(shù)數(shù)我們在后面加個0就算是乘2了。比如：5＝101（2）10＝1010（2）以我們只要把輸入都往前移動一位，再在最低位上補個零就算是乘2了。具體邏輯電路圖我就不畫，你們知道咋回事就行了。那乘3呢？簡單，先位移一次（乘2）再加一次。乘5呢？先位移兩次（乘4）再加一次。所以一般簡單的CPU是沒有乘法的，而乘法則是通過位移和加算的組合來通過軟件來實現(xiàn)的。這說的有點遠(yuǎn)了，我們還是繼續(xù)做CPU吧。現(xiàn)在假設(shè)你有8位加法器了，也有一個位移1位的模塊了。串起來你就能算（A＋B）×2了！激動人心，已經(jīng)差不多到了準(zhǔn)小學(xué)生水平。那我要是想算A×2＋B呢？簡單，你把加法器模塊和位移模塊的接線改一下就行了，改成輸入A先過位移模塊，再進加法器就可以了。你的意思是我改個程序還得重新接線？所以你以為呢？實際上，編程就是把線來回插啊。驚喜不驚喜？意外不意外？早期的計算機就是這樣編程的，幾分鐘就算完了但插線好幾天。關(guān)于插線編程的相關(guān)文章推薦看著篇：國內(nèi)大神手工焊接，制作了一個CPU。而且插線是個細(xì)致且需要耐心的工作，所以那個時候的程序員都是清一色的漂亮女孩子，穿制服的那種，就像照片上這樣。是不是有種生不逢時的感覺？插線也是個累死人的工作。所以我們需要改進一下，讓CPU可以根據(jù)指令來相加或者乘2。這里再引入兩個模塊，一個叫flip－flop，簡稱FF，中文好像叫觸發(fā)器，如下圖這樣。這個模塊的作用是存儲1bit數(shù)據(jù)。比如上面這個RS型的FF，R是Reset，輸入1則清零。S是Set，輸入1則保存1。RS都輸入0的時候，會一直輸出剛才保存的內(nèi)容。我們用FF來保存計算的中間數(shù)據(jù)（也可以是中間狀態(tài)或者別的什么），1bit肯定是不夠的，不過我們可以并聯(lián)嘛，用4個或者8個來保存4位或者8位數(shù)據(jù)。這種我們稱之為寄存器（Register）。另外一個叫MUX，中文叫選擇器，如下圖就是一個選擇器。這個就簡單了，sel輸入0則輸出i0的數(shù)據(jù)，i0是什么就輸出什么，01皆可。同理sel如果輸入1則輸出i1的數(shù)據(jù)。當(dāng)然選擇器可以做的很長，比如這種四進一出的具體原理不細(xì)說了，其實看看邏輯圖琢磨一下就懂了，知道有這個東西就行了。下圖是一個四進一出－選擇器。有這個東西我們就可以給加法器和乘2模塊（位移）設(shè)計一個激活針腳。這個激活針腳輸入1則激活這個模塊，輸入0則不激活。這樣我們就可以控制數(shù)據(jù)是流入加法器還是位移模塊了。于是我們給CPU先設(shè)計8個輸入針腳，4位指令，4位數(shù)據(jù)。我們再設(shè)計3個指令：

0100，數(shù)據(jù)讀入寄存器
0001，數(shù)據(jù)與寄存器相加，結(jié)果保存到寄存器
0010，寄存器數(shù)據(jù)向左位移一位（乘2）

為什么這么設(shè)計呢，剛才也說了，我們可以為每個模塊設(shè)計一個激活針腳。然后我們可以分別用指令輸入的第二第三第四個針腳連接寄存器，加法器和位移器的激活針腳。這樣我們輸入0100這個指令的時候，寄存器輸入被激活，其他模塊都是0沒有激活，數(shù)據(jù)就存入寄存器了。同理，如果我們輸入0001這個指令，則加法器開始工作，我們就可以執(zhí)行相加這個操作了。這里就可以簡單回答這個問題的第一個小問題了：CPU是為什么能看懂這些二級制的數(shù)呢？為什么CPU能看懂，因為CPU里面的線就是這么接的唄。你輸入一個二進制數(shù)，就像開關(guān)一樣激活CPU里面若干個指定的模塊以及改變這些模塊的連同方式，最終得出結(jié)果。幾個可能會被問的問題Q：CPU里面可能有成千上萬個小模塊，一個32位／64位的指令能控制那么多嗎？A：我們舉例子的CPU里面只有3個模塊，就直接接了。真正的CPU里會有一個解碼器（decoder），把指令翻譯成需要的形式。Q：你舉例子的簡單CPU，如果我輸入指令0011會怎么樣？A：當(dāng)然是同時激活了加法器和位移器從而產(chǎn)生不可預(yù)料的后果，簡單的說因為你使用了沒有設(shè)計的指令，所以后果自負(fù)唄。在真正的CPU上這么干大概率就是崩潰唄，不過肯定會有各種保護性的設(shè)計。細(xì)心的小伙伴可能發(fā)現(xiàn)一個問題：你設(shè)計的指令【0001，數(shù)據(jù)與寄存器相加，結(jié)果保存到寄存器】這個一步做不出來吧？畢竟還有一個回寫的過程，實際上確實是這樣。我們設(shè)計的簡易CPU執(zhí)行一個指令差不多得三步，讀取指令，執(zhí)行指令，寫寄存器。經(jīng)典的RISC設(shè)計則是分5步：讀取指令（IF），解碼指令（ID），執(zhí)行指令（EX），內(nèi)存操作（MEM），寫寄存器（WB）。我們平常用的x86的CPU有的指令可能要分將近20個步驟。你可以理解有這么一個開關(guān)，我們啪的按一下，CPU就走一步，你按的越快CPU就走的越快。咦？聽說你有個想法？少年，你這個想法很危險啊，姑且不說你能不能按那么快。拿現(xiàn)代的CPU來說，也就2GHz多吧，大概一秒也就按個20億下吧。就算你能按那么快，雖然速度是上去了，但功耗會大大增加，發(fā)熱上升穩(wěn)定性下降。江湖上確實有這種玩法，名曰超頻，不過新手不推薦你嘗試哈。那CPU怎么知道自己走到哪一步了呢？前面不是介紹了FF么，這個不光可以用來存中間數(shù)據(jù)，也可以用來存中間狀態(tài)，也就是走到哪了。具體的設(shè)計涉及到FSM（finite－state machine），也就是有限狀態(tài)機理論，以及怎么用FF實裝。這個也是很重要的一塊，考試必考哈，只不過跟題目關(guān)系不大，這里就不展開講了。我們再繼續(xù)剛才的講，現(xiàn)在我們有3個指令了。我們來試試算個（1＋4）X2＋3吧。0100 0001 ；寄存器存入10001 0100 ；寄存器的數(shù)字加40010 0000 ；乘20001 0011 ；再加三太棒了，靠這臺計算機我們應(yīng)該可以打敗所有的幼兒園小朋友，稱霸大班了。而且現(xiàn)在我們用的是4位的，如果換成8位的CPU完全可以吊打低年級小學(xué)生了！實際上用程序控制CPU是個挺高級的想法，再此之前計算機（器）的CPU都是單獨設(shè)計的。1969年一家日本公司BUSICOM想搞程控的計算器，而負(fù)責(zé)設(shè)計CPU的美國公司也覺得每次都重新設(shè)計CPU是個挺傻X的事，于是雙方一拍即合，于1970年推出一種劃時代的產(chǎn)品，世界上第一款微處理器4004。這個架構(gòu)改變了世界，那家負(fù)責(zé)設(shè)計CPU的美國公司也一步一步成為了業(yè)界巨頭。哦對了，它叫Intel，對，就是噔噔噔噔的那個。我們把剛才的程序整理一下：＂01000001000101000010000000010011＂你來把它輸入CPU，我去準(zhǔn)備一下去幼兒園大班踢館的工作。什么！？等我們輸完了人家小朋友掰手指都能算出來了？沒辦法機器語言就是這么反人類。哦，忘記說了，這種只有01組成的語言被稱之為機器語言（機器碼），是CPU唯一可以理解的語言。不過你把機器語言讓人讀，絕對一秒變典韋，這誰也受不了。所以我們還是改進一下吧。不過話雖這么講，也就往前個30年，直接輸入01也是個挺普遍的事情。于是我們把我們機器語言寫成的程序：0100 0001 ；寄存器存入10001 0100 ；寄存器的數(shù)字加40010 0000 ；乘20001 0011 ；再加三改寫成：MOV 1 ；寄存器存入1ADD 4 ；寄存器的數(shù)字加4SHL 0 ；乘2（介于我們設(shè)計的乘法器暫時只能乘2，這個0是占位的）ADD 3 ；再加三是不是容易讀多了？這就叫匯編語言。匯編語言的好處在于它和機器語言一一對應(yīng)。也就是我們寫的匯編可以完美的改寫成機器語言，直接指揮cpu，進行底層開發(fā)；我們也可以把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)dump出來，以匯編語言的形式展示出來，方便調(diào)試和debug。匯編語言極大的增強了機器語言的可讀性和開發(fā)效率，但對于人類來說也依然是太晦澀了，于是我們又發(fā)明了高級語言，以近似于人類的語法來表現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。比如很多語言都可以這么寫：a＝（1＋4）＊2＋3；當(dāng)然這樣計算機是不認(rèn)識的，我們要把它翻譯成計算機認(rèn)識的形式，這個過程叫編譯，用來做這個事的東西叫編譯器。具體怎么把高級語言弄成匯編語言／機器語言的，一本書都寫不完，我們就舉個簡單的例子。我們把：（1＋4）＊2＋3轉(zhuǎn)換成：1，4，＋，2，＊，3，＋這種寫法叫后綴表示法，也成為逆波蘭表示法。相對的，我們平常用的表示法叫中綴表示法，也就是符號方中間，比如1＋4。而后綴表示法則寫成1，4，＋。轉(zhuǎn)換成這種寫法的好處是沒有先乘除后加減的影響，也沒有括號了，直接算就行了。具體怎么轉(zhuǎn)換的可以找本講編譯原理的書看看，這里不展開講了。轉(zhuǎn)換成這種形式之后我們就可以把它改成成匯編語言了。從頭開始處理，最開始是1，一個數(shù)字，那就存入寄存器：MOV 1之后是4，＋，那就加一下：ADD 4然后是2，＊，那就乘一下（介于我們設(shè)計的乘法器暫時只能乘2，這個0是占位的）：SHL 0最后是3，＋，那再加一下：ADD 3最后我們把翻譯好的匯編整理一下：MOV 1ADD 4SHL 0ADD 3再簡單的轉(zhuǎn)換成機器語言，就可以拿到我們設(shè)計的簡單CPU上運行了。其實到了這一步，應(yīng)該把這個問題都講清楚了：C語言寫出來的東西是怎么翻譯成二進制的，電腦又是怎么運行這個二進制的。只不過題主最后還提到棧和硬件的關(guān)系，這里就再多說幾句。其實棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，跟CPU無關(guān)。只不過棧這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實在太常用了，以至于CPU會針對性的進行優(yōu)化。為了能讓我們的CPU也能用棧，我們給它增加幾個組件。第一，增加一組寄存器。現(xiàn)在有兩組寄存器了，我們分別成為A和B。第二，增加兩個指令，RDA／RDB和WRA／WRB，分別為把指定內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)讀到寄存器A／B，和把寄存器A／B的內(nèi)容寫到指定地址。順便再說下內(nèi)存，內(nèi)存有個地址總線，有個數(shù)據(jù)總線。比如你要把1100這個數(shù)字存到0011這個地址，就把1100接到數(shù)據(jù)總線，0011接到地址總線，都準(zhǔn)備好了啪嚓一按開關(guān)（對，就是我們前面提到的那個開關(guān)），就算是存進去了。什么叫DDR內(nèi)存呢，就是你按這個開關(guān)的時候存進去一個數(shù)字，抬起來之前你把地址和數(shù)據(jù)都更新一下，然后一松手，啪！又進去一個。也就是正常的內(nèi)存你按一下進去1個數(shù)據(jù)，現(xiàn)在你按一下進去倆數(shù)據(jù)，這就叫雙倍速率（Double Data Rate，簡稱DDR）加了這幾個命令之后我們發(fā)現(xiàn)按原來的設(shè)計，CPU每個指令針腳控制一個模塊的方式的話針腳不夠用了。所以我們就需要加一個解碼器了（decoder）。于是我們選擇用第二個位作為是否選擇寄存器的針腳。如果為0，則第三第四位可以正常激活位移器和加法器；如果為1則只激活寄存器而不激活位移和加法器，然后用第四位來決定是寄存器A還是B。這樣變成了：

0100，數(shù)據(jù)讀入寄存器A
0101，數(shù)據(jù)讀入寄存器B （我們把匯編指令定義為MOVB）
0001，數(shù)據(jù)與寄存器A相加，結(jié)果保存到寄存器A
0011，數(shù)據(jù)與寄存器B相加，結(jié)果保存到寄存器B（我們把匯編指令定義為ADDB）
0010，寄存器A數(shù)據(jù)向左位移一位（乘2）

最后我們可以用第一位來控制是不是進行內(nèi)存操作。如果第一位為1則也不激活位移和加法器模塊，然后用第三個針腳來控制是讀還是寫。這樣就有了：

1100，把寄存器B的地址數(shù)據(jù)讀入寄存器A（我們把匯編指令定義為RD）
1110，寄存器A的數(shù)據(jù)寫到寄存器B指定的地址（我們把匯編指令定義為WR）

我們加了個解碼器之后，加法器的激活條件從p4變成了（NOT （p1 OR p2）） AND p4。加法器的輸入則由第三個針腳判斷，0則為寄存器A，1為寄存器B。這就是簡單的指令解碼啦。當(dāng)然我們也可以選擇不向下兼容，另外設(shè)計一套指令。不過放到現(xiàn)實世界恐怕就要出大亂子了，所以你也可以想象我們平常用的x86背了個多大的歷史包袱。這個時候我們用棧的話，先棧地址初始化：0101 1000 ；MOVB 16；把棧底地址定義為1000之后入棧的話，比如把數(shù)字3，4入棧：1111 0011 ；WR 03；把3寫到內(nèi)存，地址為10000011 0001 ；ADDB 01；棧地址＋11111 0100 ；WR 04；把3寫到內(nèi)存，地址為10010011 0001 ；ADDB 01；棧地址＋1這樣就把3，4都保存到棧里了。出棧的話反過來：0011 1111 ；ADDB －1；棧地址－11101 0000 ；RD 00；把內(nèi)容讀入寄存器A，00是占位0011 1111 ；ADDB －1；棧地址－11101 0000 ；RD 00；把內(nèi)容讀入寄存器A，00是占位這樣就依次得到4，3兩個值。所以，入棧出棧其實就是把數(shù)據(jù)寫道指定的內(nèi)存位置，CPU其實不知道你是在干啥。相關(guān)文章：關(guān)于C語言堆棧的經(jīng)典講解。當(dāng)然我們也可以讓CPU知道。接下來我們再改進一下，給CPU再加一個寄存器SP，并定義兩個指令：一個PUSH，一個POP。動作分別是把數(shù)據(jù)寫入SP的地址，然后SP＝SP＋1，POP的話反過來。這樣有什么好處呢？好處在于PUSH／POP這樣的指令消耗特別少，速度特別快。而棧這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在各種程序里用的又特別頻繁，設(shè)計成專用的指令則可以很大程度上提升效率。當(dāng)然前提是編譯器知道這個指令，并且做了優(yōu)化，所以同樣的程序（c語言寫的），編譯參數(shù)不一樣（打開／關(guān)閉某些特性），編譯出來的東西也就不一樣，在不同硬件上的運行的效率也就會不一樣。比如上古時代的mmx，今天的SSE4．2，AVX－512，給力不給力？特別給力，但你平常用的程序支不支持是另一碼事，要支持怎么辦？重新編譯唄。這個時候開源的優(yōu)勢就顯示出來了，重新編譯很方便。閉源的話你就要指望作者開恩啦。對于大多數(shù)人來說，電腦就是個黑箱，我們很難理解它到底是怎用工作的。這個問題又很難一句兩句解釋清楚，因為它是一環(huán)扣一環(huán)的，每一環(huán)都很抽象，每一環(huán)都是基礎(chǔ)值倆個學(xué)分，展開了講沒上限的那種。這就導(dǎo)致了即使是系統(tǒng)學(xué)過計算機的人也不見得就有一個明確而清晰的思路。想用盡量短的篇幅和盡量簡單的語言把這個事從頭到位解釋了一下，希望能給大家解答一些疑惑。關(guān)于軟硬件結(jié)合，另外也推薦下這篇文章：代碼是如何控制硬件的？END