cpu是怎么计算“1 2”的-凯发娱发com

前面撰写了【干货】一文搞懂cpu的工作原理 ，介绍了计算机的冯诺依曼体系结构和中央处理器cpu的主要组成（控制器、运算器、寄存器）。

但是，估计很多人还是不太明白：计算机究竟是如何执行程序进行计算的？cpu在底层又是如何发挥作用的？

为了更好地解释，小编用c语言编写了一段代码，主要是计算“1 2”的结果，用a来表示并将计算结果进行返回。

int main() {
    int a = 1   2;
    return a;
}

然而，身处于计算机底层硬件的cpu是不认识"a=1 2"这个字符串的。

因为cpu只能识别0和1二进制的机器码。

虽然这些字符串只是方便我们程序员认识，要想这段程序能跑起来，还需要把整个程序翻译成汇编语言的程序，这个过程称为编译成汇编代码。

通过 gcc 编译器将这段 c语言程序代码编译成二进制文件，输入以下命令让其编译成目标文件：

gcc -o0 -o code_prog code.c

程序编译过程中，编译器通过分析代码，发现 1 和 2 是数据，于是程序运行时，内存会有个专门的区域来存放这些数据，这个区域就是「数据段」。

如下图，数据 1 和 2 的区域位置：

数据 1 被存放到 0x100 位置；

数据 2 被存放到 0x104 位置；

注意，数据和指令是分开区域存放的，存放指令区域的地方称为「正文段」。

编译器会把 a = 1 2 翻译成 4 条指令，存放到正文段中。

如图，这 4 条指令被存放到了 0x200 ~ 0x20c 的区域中：

0x200 的内容是 load 指令将 0x100 地址中的数据 1 装入到寄存器 r0；

0x204 的内容是 load 指令将 0x104 地址中的数据 2 装入到寄存器 r1；

0x208 的内容是 add 指令将寄存器 r0 和 r1 的数据相加，并把结果存放到寄存器 r2；

0x20c 的内容是 store 指令将寄存器 r2 中的数据存回数据段中的 0x108 地址中，这个地址也就是变量 a 内存中的地址；

编译完成后，具体执行程序的时候，程序计数器会被设置为 0x200 地址，然后依次执行这 4 条指令。

不难发现：“a=1 2”这样一段程序代码，通过编译被翻译成了4条指令，并且存在内存中。

编译器在编译程序的时候，会构造指令，这个过程叫做指令的编码。

cpu 执行程序的时候，就会解析指令，这个过程叫作指令的解码。

实际上，程序代码均可以编译成一条一条的指令。程序代码的运行过程，就是把每一条指令一步一步的执行起来，而执行指令就需要cpu（中央处理器）了。

因此，cpu执行程序代码的过程，实际上是执行一条条指令，过程如下：

第一步：cpu 读取「程序计数器」的值，这个值是指令的内存地址，然后 cpu 的「控制单元」操作「地址总线」指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过「数据总线」将指令数据传给 cpu，cpu 收到内存传来的数据后，将这个指令数据存入到「指令寄存器」。

第二步：cpu 分析「指令寄存器」中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给「逻辑运算单元」运算；如果是存储类型的指令，则交由「控制单元」执行；

第三步：cpu 执行完指令后，「程序计数器」的值自增，表示指向下一条指令。这个自增的大小，由 cpu 的位宽决定，比如 32 位的 cpu，指令是 4 个字节，需要 4 个内存地址存放，因此「程序计数器」的值会自增 4；

总结就是：一个程序（一段代码）执行的时候，cpu 会根据程序计数器里的内存地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令。

现代大多数 cpu 都使用来流水线的方式来执行指令，详见【干货】一文搞懂cpu流水线的工作原理，所谓的流水线就是把一个任务拆分成多个小任务，于是一条指令通常分为 4 个阶段，称为 4 级流水线，如下图：

四个阶段的具体含义：

cpu 通过程序计数器读取对应内存地址的指令，这个部分称为 fetch（取得指令）；

cpu 对指令进行解码，这个部分称为 decode（指令译码）；

cpu 执行指令，这个部分称为 execution（执行指令）；

cpu 将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存，这个部分称为 store（数据回写）；

上面这 4 个阶段就是一个周期，cpu 的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。

事实上，不同的阶段其实是由计算机中的不同组件完成的：

取指令的阶段，我们的指令是存放在存储器里的，实际上，通过程序计数器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器操作的；

指令的译码过程，也是由控制器进行的；

指令执行的过程，无论是进行算术操作、逻辑操作，还是进行数据传输、条件分支操作，都是由算术逻辑单元操作的，也就是由运算器处理的。但是如果是一个简单的无条件地址跳转，则是直接在控制器里面完成的，不需要用到运算器。

cpu 从程序计数器读取指令、到执行、再到下一条指令，这个过程会不断循环，直到程序执行结束，这个不断循环的过程被称为 cpu 的指令周期。

上面解释了cpu计算“1 2”的程序代表编译和运算流程，相信对大家有所帮助！

但是，还有一个问题，cpu是计算机的重要部件，由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的集成电路，其电路又是如何执行“1 2”编译后的二进制机器码的呢？

欲知后事如何，且听下期分解！