01_CPU（计算机科学）
带着问题学习（程序与CPU）
- 程序是什么？
- 程序由什么组成？
- 什么是机器语言？
- 运行中的程序存储在什么位置？
- 什么是内存地址？
- 程序的解释和运行的计算机部件叫什么？
CPU是什么？
中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲寄存器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。
参考于百度百科
参考于搜狗百科
CPU主要包括以下几大组成部分：
- 寄存器：用来存储数据（相当于CPU中的内存）；
- 控制器：用来控制寄存器的读取、写出等操作；
- 运算器：是一个逻辑运算单元（辅助单元），协助控制器和寄存器达到运算的效果；
- 时钟：用来表示CPU的运算，处理数据的速度。
而对于我们程序员来说，最关心也是最需要记住的是寄存器，因为寄存器对于我们软件工程师来说，它是唯一一个能够接触到的东西，而其它的，比如控制器、运算器以及时钟都是我们软件工程师所接触不到的。所以寄存器也是我们需要深入了解的一个东西，并且一个CPU中有很多个寄存器。
程序与CPU
image.png
这里我们需要先了解两个概念，高级语言和低级语言。
高级语言：简单来说，就是人类能够看懂的语言，包括C/C++、Java、Python等编程语言。
参考于搜狗百科
低级语言：CPU能够看得懂的语言，也就是机器语言（接近于汇编语言）。
参考于搜狗百科
感兴趣的朋友可以参考《Intel白皮书》，里面讲述了Intel CPU所有的汇编指令。
CPU中主要的寄存器
我们可以把寄存器当成CPU中的内存，那么为什么要这样做呢？原因很简单，寄存器的读写速度比内存条中的读取速度快很多，几十倍甚至上百倍。
- 累加寄存器：用于存储计算之后的数据；
- 标志寄存器：记录CPU中的一些状态，帮助我们程序员做逻辑判断；
- 程序计数器：存储了下一条指令在内存中的地址；
- 基址寄存器：记录当前整个数据内存开始位置；
- 变址寄存器：存储基址寄存器中的相对偏移位置，基址寄存器+变址寄存器就能得到某一个具体的内存地址；
- 通用寄存器：什么地方都能够被使用（想怎么使用就怎么使用），也是我们程序员平时使用最多的寄存器；
- 指令寄存器：CPU内部使用的（不对外开发），我们程序员是没有办法来操作它的，主要是用来存储当前的指令；
- 栈寄存器：与基址寄存器，主要是用来记录栈的起始位置。
程序计数器
当程序是顺序执行的时候，程序计数器基本上没有什么作用。然而，基本上没有任何一个程序是顺序执行的，否则这个程序就没什么意义了。尤其是程序中使用了较多的if else、switch case、while、for等语句，使得程序的逻辑变得较为复杂，从而也导致了程序的非顺序执行，此时程序计数器的作用就体现出来了。
在执行分支语句时，程序计数器和标志寄存器共同决定程序运行的下一条指令。
标志寄存器
标志寄存器是一个32bit的数，它的每一个bit标志一种状态，其中有一个bit是标志是否为0。比如判断3是否等于3，它首先会去取3-3的结果，如果3-3等于0，那么这个bit就为1，如果不等于0，那么这个bit就为0。还有其它很多bit所代表的意义，我们这里就不一一解释了。
一条跳转语句，包括了一下三个步骤：
1.计算结果；
2.标志寄存器进行置位;
3.根据标志位来相应的改写程序计数器中的值从而达到跳转的效果。
