剖析一下CPU對代碼的識別和讀取

最近讀到這樣一篇文章，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，讀完感覺學到的很多東西瞬間聯(lián)系起來了，分享給猿們。

首先要開始這個話題要先說一下半導(dǎo)體。啥叫半導(dǎo)體？

半導(dǎo)體其實就是介于導(dǎo)體和絕緣體中間的一種東西，比如二極管。

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C端10V，A端0V，二極管可以視為斷開。

當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于導(dǎo)線就行了。 利用半導(dǎo)體，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。每次都畫二極管也是個麻煩，我們就把門電路簡化成下面幾個符號。

然后我們就可以用門電路來做CPU了。當然做CPU還是挺難的，我們先從簡單的開始：加法器。 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）

所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。串起來你就能算了！

（A+B）X2

激動人心，已經(jīng)差不多到了準小學生水平。 那我要是想算呢？

AX2+B

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。 啥？？？？你說啥？？？你的意思是我改個程序還得重新接線？ 所以你以為呢？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。而且插線是個細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？ 雖然和美女作伴是個快樂的事，但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。

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。

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。 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： 那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。 幾個可能會被問道的問題 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，所以后果自負唄。（在真正的CPU上這么干大概率就是崩潰唄，當然肯定會有各種保護性的設(shè)計，死也就死當前進程） 細心的小伙伴可能發(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，姑且不說你有沒有麒麟臂，能不能按那么快（現(xiàn)代的CPU也就2GHz多，大概也就一秒按個20億下左右吧） 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1 0001 0100 ；寄存器的數(shù)字加4 0010 0000 ；乘2 0001 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，而負責設(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，那家負責設(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，我去準備一下去幼兒園大班踢館的工作。神馬？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。

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