CPU的內部結構

?CPU是中央處理器Central Processing Unit的縮寫，相當于計算機的大腦，它的內部由數百萬至數億個 「晶體管」 構成。

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在 「程序運行流程」 中，CPU所負責的就是 「解釋和運行」 最終轉換成 「機器語言」 的程序內容。

程序運行流程

CPU和內存是由許多晶體管組成的 「電子部件」 ，通常成為集成電路Integrated Circuit。

?從功能方面來看，CPU的內部是由 「寄存器」 、 「控制器」 、 「運算器」 、 「時鐘」 等四個部分組成，各個部分之間由 「電流信號」 相互連通。

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CPU的四個組成部分

1. 「寄存器」
   • 用來 「緩存」 指令、數據等處理對象，可以將其看作是**「內存的一種」**
   • 根據種類的不同，一個CPU內部戶有20~100個寄存器
2. 「控制器」
   • 負責把 「內存」 上的指令、數據等讀入**「寄存器」**
   • 并根據指令的執行結果來 「控制」 整個計算機
3. 「運算器」
   • 負責運算**「從內存讀入寄存器的數據」**
4. 「時鐘」
   • 負責發出CPU開始計時的**「時鐘信號」**

內存

?通常所說的 「內存」 指的是計算機的主要存儲器Main Memory,簡稱 「主存」 。

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主存通過 「控制芯片」 等與CPU相連，主要負責 「存儲指令和數據」 。主存由 「可讀寫」 的元素構成，每個字節（1字節=8位）都帶有一個 「地址編號」 。CPU可以通過該地址 「讀取」 主存中的指令和數據，當然也可以 「寫入」 數據。

程序運行機制

程序啟動后，根據 「時鐘信號」 ， 「控制器」 會從 「內存」 中讀取指令和數據。通過對這些指令加以解釋和運行， 「運算器」 就會對數據進行運算， 「控制器」 根據該運算結果來控制計算機。

CPU是寄存器的集合體

CPU的四個構成部分中，我們只需要了解寄存器即可。這是因為， 「程序是把寄存器作為對象來描述的」 。

假設，我們存在如下用匯編語言編寫的代碼。

? 「匯編語言」 采用助記符Memonic來編寫程序，每一個原本是 「電氣信號」 的 「機器語言指令」 都有有一個與其 「相對應的助記符」 。

助記符通常為指令功能的英語單詞的縮寫。

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匯編代碼

例如，mov和add分別是數據的存儲和相加的簡寫。

?「匯編語言和機器語言基本上是一一對應的」

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• 通常我們將 「匯編語言」 編寫的程序轉化成 「機器語言」 的過程稱為**「匯編」**
• 反之， 「機器語言」 程序轉化成 「匯編語言」 的程序的過程稱為**「反匯編」**

從上述的 「匯編代碼」 中，我們可以看出， 「機器語言級別的程序是通過寄存器來處理的」 ，也就是說， 「CPU是寄存器的集合體」 。eax和ebp表示的都是寄存器。并且，內存的存儲場所 「通過地址編號來區分」 ，而寄存器的種類 「通過名字來區分」 。

CPU處理程序的大致過程如下：

?使用 「高級語言」 編寫的程序會在 「編譯」 后轉化成 「機器語言」 ，然后再通過CPU內部的寄存器來處理。

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寄存器的種類

?不同類型的CPU,其內部寄存器的數量、種類以及寄存器存儲的數值范圍都是不同的。

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不過，根據功能的不同，我們可以將寄存器大致分為 「8類」 。

寄存器的主要種類和功能

可以看出，寄存器中存儲的內容既 「可以是指令也可以是數據」 。其中，數據分為 「用于運算的數據」 和**「表示內存地址的數據」**

CPU是寄存器的集合體

決定程序流程的程序計數器

只有1行的有用程序是很少見的，機器語言的程序也是如此。接下來，我們看一下程序是如何按照流程運行的。

下圖是程序啟動后的內存內容的模型。

?用戶發出啟動程序的指示后， 「操作系統」 會把 「硬盤」 中保存的程序 「復制」 到 「內存」 中。

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實例中的程序實現的是將123和456兩個數值相加，并將結果輸出到顯示器上。

前面我們已經介紹過，存儲指令和數據的內存，是通過地址來劃分的。由于使用機器語言難以清晰地表明各地址存儲的內容，因此我們對各地址的存儲內容添加注釋。實際上， 「一個命令和數據通常被存儲在多個地址上」 ，但是為了便于說明，上面的圖例中，把指令、數據分配到一個地址中。

大致流程如下：

1. 地址0100是程序運行的開始位置。
2. 操作系統把程序從 「硬盤」 復制到 「內存」 后，會將 「程序計數器」 （CPU寄存器的一種）設定為0100,然后程序便開始運行。
3. 「CPU每執行一個指令，程序計數器的值就會自動加1」
4. 然后，CPU的 「控制器」 就會參照程序計數器的數值，從內存中讀取命令并執行。

?程序計數器決定著程序的流程

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條件分支和循環機制

程序的流程分為 「順序執行」 、 「條件分支」 和 「循環」 三種。

1. 「順序執行」 是指按照地址內容的順序執行指令
2. 「條件分支」 是指根據條件執行任意地址的指令
3. 「循環」 是指重復執行同一地址的指令

「順序執行」 的情況比較簡單，每執行一個指令 「程序計數器」 的值就 「自動加1」 .但若程序中存在 「條件分支」 和 「循環」 ，機器語言的指令就可以將 「程序計數器」 的值設定為 「任意地址」 （不是加1）。這樣一來，程序便可以返回到上一個地址來重復執行同一個指令，或者跳轉到任意地址。

條件分支運行流程

上圖表示把內存中存儲的數值(示例中是123)的絕對值輸出到顯示器的程序的內存狀態。

大致流程如下：

1. 程序運行的開始位置是0100地址
2. 隨著 「程序計數器」 數值的增加
3. 當到達0102地址時，如果 「累加寄存器」 的值是 「正數」 ，則執行 「跳轉指令」 （jump指令）跳轉到0104地址
4. 此時，由于 「累加寄存器」 的值是123,為 「正數」 ，因此0103地址的指令被跳過，程序的流程 「直接」 跳轉到了0104地址

? 「條件分支」 和 「循環」 中使用的 「跳轉指令」 ，會參照當前執行的 「運算結果」 來判斷是否跳轉。

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前面我們提到過 「標志寄存器」 。無論當前 「累加寄存器」 的運算結果是負數、零還是正數， 「標志寄存器」 都會將其保存。

CPU在進行運算時， 「標志寄存器」 的數值會根據運算結果 「自動設定」 。至于是否執行 「跳轉指令」 ，則由CPU在參考 「標志寄存器」 的數值后進行判斷。運算結果的正、零、負 「三個狀態」 由 「標志寄存器」 的三個位表示。

32位CPU(寄存器的長度是32位)的標志寄存器的示例

「標志寄存器」 的第一個字節位、第二個字節位和第三個字節位的值為1時，表示的運算結果分別為正數、零和負數。

CPU比較機制

假設要比較 「累加寄存器」 中存儲的XXX值和 「通用寄存器」 中存儲的YYY值，執行比較的指令后，CPU的運算裝置就會在內部進行XXX-YYY的 「減法運行」 。

無論減法運算的結果是正數、零還是負數，都會被保存到 「標志寄存器」 中。

• 結果為 「正」 表示XXX比YYY大
• 結果為 「零」 表示XXX和YYY相等
• 結果為 「負」 表示XXX和YYY小

?程序中的比較指令，就是在CPU內部做減法運算

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函數的調用機制

?函數調用處理也是通過把 「程序計數器」 的值設定成函數的存儲地址來實現的

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和 「條件分支」 、 「循環」 的機制不同，因為單純的跳轉指令無法實現函數的調用。

?函數的調用需要在完成函數內部的處理后，處理流程再返回到函數調用點( 「函數調用指令的下一個地址」 )

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上圖的示例為 變量a和b分別代入123和456后，將其賦值給參數來調用MyFunc函數的C語言程序。圖中的地址是將C語言編譯成機器語言后運行時的地址。由于1行C語言程序在編譯后通常會變成多行的機器語言，所以圖中的地址是 「離散」 的。

此外，通過 「跳轉指令」 把 「程序計數器」 的值設定為0260也可以實現調用MyFunc函數。函數的 「調用原點」 （0132地址）和 「被調用函數」 (0260地址)之間的數據傳遞，可以通過內存或寄存器來實現。

當函數處理進行到最后的0354地址時，我們應該將 「程序計數器」 的值設定成函數調用后要執行的0154地址。我們通過機器語言的call指令和return指令能實現該功能。

call 指令和return 指令

?函數調用使用的是call指令，而不是跳轉指令。

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在將函數的入口地址設定到 「程序計數器」 之前， 「call指令」 會把調用函數后要執行的指令地址存儲在名為 「?！?/strong> 的內存內。 「return 指令」 的功能是把保存在棧中的地址設定到 「程序計數器」 中。