程序是怎样跑起来的

作者:矢泽久雄[日]
译者:李逢俊

  本文为对《程序是怎样跑起来的》一书内容的整理和概括，部分图片，文字摘选自书籍，如有任何侵权行为请联系作者第一时间删除，谢谢。

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对程序员来说CPU是什么

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CPU的内部结构解析

  CPU(Central Processing Unit)职责： 解释和运行转换成机器语言的内容。

程序运行流程示例：

1. 用C语言等高级语言编写程序。
2. 将程序编译后转换成机器语言的EXE文件。
3. 程序运行时，在内存中生成EXE文件的副本。
4. CPU解释并执行程序内容。

CPU内部组成：寄存器(20~100个)，控制器，运算器，时钟(电流信号相互连通)。

寄存器： 暂存指令，数据等处理对象。
        一个CPU内部会有20~100个寄存器。
控制器： 把内存上的指令，数据等读入寄存器，并根据指令的结果来控制整个计算机。
时钟：   发出CPU开始计时的时钟信号(clock puzzle，频率越高CPU运行速度越快)。

    CPU和内存是由许多晶体管组成的电子部件，通常称为：IC(Integrated Circuit,集成电路)。
    内存(main memory,简称主存)：主存通过控制芯片等与CPU相连，主要负责储存指令和数据。储存的内容随计算机的关闭而自动清除。通常使用DRAM(Dynamic Random Access Memory,动态随机存取储存器)芯片。

CPU是寄存器的集合体

程序是把寄存器作为对象来描述的。

• 高级语言：使用类似人类的语言的语法来记叙的编程语言的总和。如BASIC，C,C++,Java,Pascal,FORTRAN等。
• 汇编语言(assembly)：采用助记符(memonic)来编写程序，每一个原本是电气信号的机器语言指令都会有一个对应的助记符，助记符常为指令功能的单词，如mov和add分别是数据的储存(move)和相加(addtion)的简写。
• 机器语言：CPU能够直接解释和执行的语言。(数字0和1的集合)

    通常，将汇编语言编写的程序转化成机器语言的过程称为汇编；反之，机器语言程序转换成汇编语言程序的过程称为反汇编。
    把汇编语言转换成机器语言的程序称为汇编器(assembler)。
    把高级语言转换成机器语言的程序称为编译器(compiler)。

/* 汇编语言编写的程序事例  */
mov eax, dword ptr [ebp-8]          //把数值从内存复制到exa
add eax, dword ptr [ebp-0Ch]        //exa的数值和内存的数值相加
mov dword ptr [ebp-4], exa          //把exa的数值(上一次相加的结果)储存在内存中

    高级语言编写的程序在编译后转换成机器语言，然后通过CPU内部的寄存器来处理。
    寄存器中储存的内容既可以是指令也可以是数据。数据分为“用于运算的数值”和“表示内存地址的数值”。
     8种寄存器的主要种类和功能 如下表：

种类	功能
累加寄存器( accumlulator register )	储存执行运算后的数据和运算后的数据
标志寄存器( flag register )	储存运算处理后的CPU状态
程序计数器( program counter )	储存下一条指令所在的内存的地址
基址寄存器( base register )	储存数据内存的起始地址
变址寄存器( index register )	储存基址寄存器的相对地址
通用寄存器( general purpose register )	储存任意数据
指令寄存器( instruction register )	储存指令。CPU内部使用，程序员无法通过程序对该寄存器进行读写操作
栈寄存器( stack register )	储存栈区域的起始地址

寄存器数量	寄存器种类
仅有一个	程序计数器，标志寄存器，累加寄存器
含有多个	基址寄存器，变址寄存器，通用寄存器

CPU是寄存器的集合体

决定程序流程的程序计数器

    实际上一个命令和数据通常被储存在多个地址上，为了方便说明把指令和数据分配到一个地址中。
    假设地址0100为程序开始的位置。Windows等操作系统把程序从硬盘复制到内存后，会将程序计数器设定为0100，然后程序便开始运行。CPU每执行一条指令，程序计数器自动+1。然后CPU的控制器会参照程序计数器的数值，从内存中读取命令并执行。

条件分支和循环机制

程序的流程分为:

• 顺序执行：执行按照地址内容的顺序执行指令。执行一条指令计数器+1。
• 条件分支：根据条件执行任意地址的指令。计数器跳转到指定地址。
• 循环：重复执行同一地址的指令。

    条件分支和循环中使用的跳转指令，会参照当前执行的运算结果来判断是否跳转。无论当前累加寄存器的运算结果是负数，零或正数，标志寄存器都会将其保存。(也负责存放溢出和奇偶校验的结果)。

• 溢出( overflow )是指运算结果超出寄存器的长度范围。

• 奇偶校验( parity check )是指检查运算结果的值是偶数还是奇数。
  是否执行跳转指令由CPU在参考标志寄存器的数值后进行判断。运算结果的正负和0三种状态由寄存器的三个字节位(0,1,2)表示。如下图:

  比较运算的结果储存在标志寄存器的三个位

• 0位:运算结果为正则为1。

• 1位:运算结果为0则为1。

• 2位:运算结果为负则为1。

函数的调用机制

    单纯的跳转指令无法实现函数的调用，而是通过把程序计数器的值设定为函数的储存地址来实现。函数的调用需要在完成函数内部的处理后，处理流程再返回到函数的调用点(函数调用指令的下一地址)。因此，如果只是跳转到函数的入口地址，处理流程就不知道该返回到哪了。
    函数的调用使用call指令，在将函数的入口地址设定到程序计数器前，call指令会把调用函数后要执行的指令地址储存在名为栈的主存内。函数处理完后，再通过函数的出口来执行return命令（把保存在栈中的地址设定到程序计数器中）。

栈（stack）:在程序领域中，栈表示不断储存各种数据的内存区域。函数调用能够返回调用前的地址就是因为栈。

通过地址和索引实现数组

    我们用十六进制数将计算机内存上00000000~FFFFFFF的地址划分出来。

实际查看的内存地址 = 基址寄存器的值 + 变址寄存器的值

    例如:要访问10000000~1000FFFF地址时，把10000000存入基址寄存器(基址寄存器的值被固定），然后变址寄存器中的值可在00000000~0000FFFF内变化，变址寄存器中的值，就相当于高级语言程序中数组的索引功能。
    （用一个数组名来表示全体数据，通过索引来区分数组的各个数据。如，一个10元素的数组a，数据表示为a[0] ~ a[9]，其中的数字0~9就是索引）

CPU处理简述

    下表对CPU能执行的机器语言指令进行分类。

类型	功能
数据转送指令	寄存器和内存，内存和内存，寄存器和外围设备之间的数据读写操作
运算指令	用累加寄存器的执行算术运算，逻辑运算，比较运算和移位运算
跳转指令	实现条件分支，循环，强制跳转等
call/return指令	函数的调用 / 返回调用前的结果

有关计算机二进制对数据进行表示及处理可参考:
明明是悟空 - 二进制的计算(计算机为什么采用补码储存数据)
张晓军 - 计算机中数的表示及运算

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作者：SouthBegonia
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