總述
最近一位朋友問我,開發(fā)的代碼是怎么在芯片運(yùn)行起來的,我就開始給他介紹代碼的預(yù)編譯、匯編、編譯、鏈接然后到一般的文件屬性,再到代碼運(yùn)行。但是大佬問了我一句,CPU到底是怎么執(zhí)行到每一個(gè)邏輯的,就講了哈CPU的架構(gòu)。這是時(shí)候真的有些迷了,雖然有模電數(shù)電的底子,但是自己都說迷糊了,匯編怎么對應(yīng)到機(jī)器碼再到怎么執(zhí)行每一個(gè)邏輯。
所以我想了想,我自己也重新學(xué)習(xí)整理一下,寫一篇文章分享給自己也分享給大家。雖然網(wǎng)上也有很多人講這個(gè)過程,我也想用自己的視角去介紹一下。所以我就花了三天時(shí)間把《CODE》這本書啃完,然后又看了哈Crash Course Computer Science的視頻,現(xiàn)在終于可以寫篇文章了。
作者:良知猶存
1 CPU的硬件最小原子
計(jì)算機(jī)從上世紀(jì)四十年代發(fā)展到現(xiàn)在有八十多年了,我們現(xiàn)在開發(fā)應(yīng)用以及很少會涉及到底層的部分,硬件設(shè)計(jì)的電子專業(yè)在學(xué)校里面會學(xué)習(xí)模電數(shù)電這兩門課,今天的第一部分就從這里說起。
一般我們不考慮物理的硬件底層的實(shí)現(xiàn)邏輯,但是為了后續(xù)的機(jī)器碼的介紹,這里開始介紹CPU的基本組成部分。
我們都知道現(xiàn)在的CPU是無數(shù)的晶體管組成,一塊很小的CPU用顯微鏡觀察可以看到上百萬個(gè)元器件,那么最早電腦是啥樣的呢?感謝Crash Course Computer Science的視頻,下面有很好照片都是從她的視頻中截取。以及感謝《CODE》,好多資料也是從此書得來。
最早的計(jì)算機(jī),它有76萬5千個(gè)組件,300多萬個(gè)連接點(diǎn)和大約804公里長的用線,這個(gè)是真的大,而且它的核心控制還是用繼電器實(shí)現(xiàn)控制邏輯的。
此外,它的性能相較于于現(xiàn)在的電腦來說簡直微不足道。
好了言歸正傳,我們直接介紹現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中的CPU組成,之前用繼電器、電子管進(jìn)行控制計(jì)算,這些基本的元器件使得計(jì)算機(jī)體型龐大,后來半導(dǎo)體的出現(xiàn),使得計(jì)算機(jī)的體積大大減小。沒有使用半導(dǎo)體的時(shí)候,科學(xué)家使用繼電器等進(jìn)行控制電路的開關(guān),控制電路電流的高和低,通過布爾代數(shù)組合形成我們現(xiàn)在經(jīng)常說的邏輯門,繼而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制。
如上圖所以它會出現(xiàn)如下情況
這其實(shí)就是一個(gè)簡單開關(guān)的與門(AND)電路,所有的變量輸入是1的時(shí)候,輸出才為1。相應(yīng)的還有非門、或門、異或門等。
那么半導(dǎo)體是如何做到的呢?下面所示是三極管變化而成的與門(AND)電路,通過兩個(gè)三極管連接(三極管的工作原理可以百度一哈),實(shí)現(xiàn)邏輯。
這是非門(NOT),輸入1輸出位0,輸入位、為0輸出為1.
這是或門(OR),只有A、B兩個(gè)同時(shí)輸入0的時(shí)候,輸出才為0,其余都為1.
這是常用的邏輯門的圖形表示以及真值表顯示,最后一欄為真值表顯示,其中A、B為輸入,F(xiàn)為輸出。
基于這些邏輯的組合我們可以變成最小的11位二進(jìn)制邏輯的加法器,1bit的數(shù)據(jù)鎖存器,再擴(kuò)展為8位加法器,256M存儲器。
2 CPU的模塊組成過程
講完了CPU組成的最小原子結(jié)構(gòu),接下來我們抽象出來了邏輯門進(jìn)行
首先我們先介紹一下CPU的基本架構(gòu)
一塊完整可以執(zhí)行程序CPU功能部件,里面有基本的ALU算數(shù)邏輯單元、控制單元、外部儲存器(儲存數(shù)據(jù)和程序)。
1970年發(fā)布的時(shí)候,它是第一個(gè)封裝在單個(gè)芯片內(nèi)完整的ALU。
ALU(算數(shù)邏輯單元)有兩個(gè)單元:一個(gè)算數(shù)單元(加法器),負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)里的所有數(shù)字操作,例如加減法、增量運(yùn)算等;一個(gè)邏輯單元,負(fù)責(zé)一些簡單的數(shù)值測試,例如檢測ALU輸出是否為零的的電路
加法器:
用單個(gè)晶體管一個(gè)個(gè)去拼,把這個(gè)電路做出來,到那時(shí)會很復(fù)雜很難理解。所以我們更高層面的抽象-邏輯門去實(shí)現(xiàn)(AND、OR、NOT、XOR)。
下面這是一個(gè)1位的加法器:
二進(jìn)制數(shù)的“和”可以由異或門得到,而“進(jìn)位”可以由與門得到,所以可以把異或門和與門結(jié)合起來來完成兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)A和B的加法
AB只能輸入0或者1,也就是這個(gè)加法器能算0+0,1+0或者1+1。
脫離具體的形狀,我們可以把以上的一個(gè)加法器,抽象為一個(gè)符號用來顯示:
然后我們在進(jìn)行擴(kuò)展,把八個(gè)全加器連接,這樣就變成了一個(gè)8bit的加法器。每個(gè)全加器的進(jìn)位輸出都是下一個(gè)全加器的進(jìn)位輸入:
用一個(gè)抽象的框圖進(jìn)行表示,其中輸入是A和B標(biāo)識為從A0~A7及B0~B7。輸出為和輸出,標(biāo)識為從 S0~S7:
這樣我們就構(gòu)造了一個(gè)簡單8位的加法器。
邏輯單元:同樣AND、OR、NOT、XOR的執(zhí)行,如下圖一個(gè)簡單的判斷輸出是否為0的電路
它用一堆OR門檢查其中一位是否為1,哪怕只有一個(gè)輸入的bit(位)為1,但都會被被或門到最后一個(gè)NOT(非)門進(jìn)行取反,所以只有輸入的數(shù)字是0,輸出才能是為1。
告訴ALU執(zhí)行加減法,下面圖片里面的的V代表ALU部分。
通過ALU的FLAGS進(jìn)行判斷,下面有三個(gè)標(biāo)志一個(gè)是OVERFLOW(操作超出了總線寬度,設(shè)置為true(1))、ZERO(運(yùn)算結(jié)果是否為零)、NEGATIVE(運(yùn)算結(jié)果第一位為1,則設(shè)置為true(1),表示為負(fù)數(shù))
這就是ALU中的一些單元,其實(shí)也是一大堆邏輯門巧妙連到一起。
此外我們還需要存儲器(memory),如果ALU計(jì)算出來數(shù)據(jù)丟掉那么數(shù)據(jù)也沒什么用了,所以需要內(nèi)存把數(shù)據(jù)保存起來,與ALU一起組成CPU
之前的介紹都是單向順序執(zhí)行的電路,那有什么可以返回的電路呢,通過輸出來控制影響輸入。
進(jìn)行AND 、NOT、OR組合,變成一個(gè)1位鎖存器
輸入STE為1,輸出為1
輸入RESTE為1,輸出為0
如果設(shè)置和置位都為0,電路會輸出最后放置的狀態(tài),所以它就保存住1bit位的數(shù)據(jù)
其中這樣一個(gè)1位的鎖存器,放入的動作叫做寫,拿出數(shù)據(jù)的動作叫做讀
為了好顯示,我們使用再高一級別的抽象層,用下面的框圖表示:
隨著芯片鎖存器大小的擴(kuò)展,正常連接需要的線是非常之多,所以引入了矩陣方式:
為了將地址轉(zhuǎn)化成為行和列 還要用多路復(fù)用器,這就是一個(gè)基本的SDRAM的組成結(jié)構(gòu)。
SRAM DRAM FLASH NVRAM,大家功能上相似,但是用不同的電路儲存單個(gè)bit的數(shù)據(jù),比如使用不同的邏輯門、電容器、、電荷捕獲或者憶阻器。但是根本上,這些技術(shù)都是矩陣層層嵌套,來儲存大量的信息。
3 CPU的代碼語言執(zhí)行以及編程語言的變化過程
通過不同的邏輯門,我們逐漸搭建起了CPU的硬件部分,同時(shí)也抽象到了高層次的“微體系架構(gòu)”,我們開始告訴CPU的模塊進(jìn)行操作,CPU里面都是101二進(jìn)制數(shù)據(jù),那怎么和CPU執(zhí)行指令掛上鉤呢?
最早執(zhí)行機(jī)器使用就是穿孔卡片,通過穿孔卡片的特殊位置有沒有穿孔,決定機(jī)器執(zhí)行的不同步驟。
在計(jì)算機(jī)早期,程序員編程必須用機(jī)器碼寫程序,一般會在會在紙上寫一個(gè)“高層次”的描述——偽代碼,例如:從內(nèi)存中獲取當(dāng)月銷售額,再計(jì)算出稅費(fèi)。
這里展示一個(gè)簡單范例代碼,一段機(jī)器碼00101110。
首先這個(gè)機(jī)器碼分為前四位和后四位,前四位代表操作碼,后四位代表地址。
首先在指令表可以查到0010對應(yīng)著執(zhí)行指令是LOAD_A 意思為從內(nèi)存地址取出數(shù)據(jù),放到寄存器A中。
CPU看到00101110是怎么執(zhí)行的呢?
首先CPU有兩個(gè)執(zhí)行時(shí)候的寄存器:
指令地址寄存器,一個(gè)追蹤器,負(fù)責(zé)追蹤程序運(yùn)行到哪里了;
指令寄存器,負(fù)責(zé)儲存當(dāng)前指令
其次,CPU執(zhí)行指令有三個(gè)階段: 取指令->解碼->執(zhí)行
取指令:負(fù)責(zé)把指令從RAM中復(fù)制到指令寄存器中
如下所示:CPU把0010 1110放到指令寄存器中
解碼階段:負(fù)責(zé)解析復(fù)制過來的指令對應(yīng)到操作碼是哪個(gè)執(zhí)行,先解析0010
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,為地址14
接下來通過控制單元進(jìn)行選擇確認(rèn)是否執(zhí)行l(wèi)oad指令
當(dāng)然控制單元也是由邏輯門連接起來的,這個(gè)時(shí)候需要一個(gè)電路,檢查操作碼是不是LOAD_A對應(yīng)的0010
執(zhí)行階段:當(dāng)確認(rèn)了執(zhí)行的操作碼,我們就開始執(zhí)行
從地址1110(10進(jìn)制14)讀取出0000 0011的數(shù)據(jù),因?yàn)槭荓OAD_A指令,我們把該數(shù)據(jù)放進(jìn)寄存器A,不操作其他寄存器
本次執(zhí)行完成,然后我們就把“指令地址寄存器”+1,執(zhí)行下一條命令,一直重復(fù)到代碼結(jié)束。
如果我們遇到了例如加減運(yùn)算時(shí)候,就可以用到ALU了,數(shù)據(jù)寄存器把需要進(jìn)行add的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入,然后在發(fā)送操作碼給ALU,ALU開始執(zhí)行最后輸出到暫存的寄存器,關(guān)閉ALU,最后再把數(shù)據(jù)放入正確的寄存器
除了執(zhí)行動作,現(xiàn)代CPU還有時(shí)鐘控制。很早的計(jì)算機(jī)都是用人工插拔來進(jìn)行每一條指令的計(jì)算,但是對于現(xiàn)在的CPU執(zhí)行頻率來說,人工是做不到這樣的速度,所以現(xiàn)在CPU里面有專門的時(shí)鐘進(jìn)行管理CPU的節(jié)奏,來告訴CPU要取指令-解碼-執(zhí)行。類似于練習(xí)樂器時(shí)候使用的節(jié)拍器一樣。
前面介紹程序運(yùn)行時(shí)候我們是假設(shè)程序已經(jīng)在內(nèi)存里面了,但實(shí)際上程序儲存的位置不在內(nèi)存,并且需要在執(zhí)行時(shí)候加載到內(nèi)存里面。只要內(nèi)存足夠,不僅可以儲存要運(yùn)行的程序,還可以存程序需要的數(shù)據(jù),以及運(yùn)行程序時(shí)候產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)。
不過早期編程都是專家活,不管是全職還是技術(shù)控,都需要非常了解底層硬件,要懂操作碼、寄存器等才能寫程序,所以編程很麻煩,哪怕是工程師和科學(xué)家都無法完全發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力
所以程序員開發(fā)出了一種新語言,更高層次,更可讀性,每個(gè)操作碼分配一個(gè)簡單的名字——助記符。助記符后面緊跟數(shù)據(jù),形成完整的指令。這樣程序員就不用0和1去寫代碼,可以用load jump等助記符開始編程,這就是匯編。前面我們講過這些助記符,應(yīng)該還是比較容易理解的。但是CPU是只能識別二進(jìn)制的,所以程序員又寫了二進(jìn)制程序來幫忙,它可以讀懂文字指令,自動轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制指令,這個(gè)程序就叫做——匯編器。
匯編器讀取用匯編語言寫的程序,然后轉(zhuǎn)成機(jī)器碼。LOAD_A 14 是一個(gè)典型的匯編代碼。
發(fā)展到現(xiàn)在,就英特爾的CPU 酷睿i7有上千種指令和指令變種,長度從一個(gè)字節(jié)到15個(gè)字節(jié)。
FORTRAN,是IBM1957年發(fā)布的語言,而主持FORTRAN的項(xiàng)目的總監(jiān)John Backus說,他只是因?yàn)閼?,所以就開發(fā)了新的語言,是的大部分新程序的開發(fā)是因?yàn)楦咝实拈_發(fā),把一個(gè)月的開發(fā)時(shí)間編程一周,在變成一天。
就FORTRAN使用效果來說,確實(shí)也達(dá)到了,平均FORTRAN寫的程序要比同等的匯編寫的代碼少二十倍。然后FORTRAN編譯器會把FORTRAN代碼轉(zhuǎn)為機(jī)器碼。
然后陸續(xù)新的語言不斷產(chǎn)生,60年代有ALGOL、LISP和BASIC等語言;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開始出現(xiàn)Swift、C#、Go。未來語言還會越來越多,新的語言用新的平臺和新的技術(shù),讓我們可以快速的開發(fā)使用。
責(zé)任編輯:xj
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