這個(gè)題目是我臨時(shí)想的余蟹，不知道是否準(zhǔn)確卷胯，一直想寫一個(gè)類似的東西，希望能夠引起童鞋們關(guān)注硬件并喜歡上硬件威酒。
我是文科出生窑睁，研究生階段才轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)，中間有很長(zhǎng)一段時(shí)間都只做軟件理論相關(guān)研究和一些具體的軟件項(xiàng)目葵孤，包括編譯器担钮、電力系統(tǒng)監(jiān)控器、軟件測(cè)試工具研發(fā)等尤仍；直到2009年箫津，才開(kāi)始陸陸續(xù)續(xù)接觸一些硬件項(xiàng)目，說(shuō)是硬件項(xiàng)目宰啦，其實(shí)主要是一些嵌入式的項(xiàng)目苏遥，如世界杯前做的3G轉(zhuǎn)Wifi和自己玩的一些小車和傳感器等。
在做嵌入式項(xiàng)目之前赡模，壓根就沒(méi)接觸過(guò)硬件方面的開(kāi)發(fā)知識(shí)田炭，難度可想而知，什么叫編碼器漓柑、什么叫譯碼器教硫、怎么做分頻叨吮、怎么做倍頻、怎么做A／D轉(zhuǎn)換瞬矩、D／A等等茶鉴，一系列的問(wèn)題迎面而來(lái)。為了完成項(xiàng)目景用，只能硬著頭皮上涵叮，從最基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯開(kāi)始看起，從二進(jìn)制丛肢、卡諾圖入手围肥，逐漸深入到組合電路和時(shí)序電路，再結(jié)合一本叫做《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)－硬件/軟件接口》蜂怎，才逐漸深入明白我們做的編譯器后端的具體工作原理穆刻，在此基礎(chǔ)上對(duì)軟件的各種性能問(wèn)題有了更深刻的認(rèn)識(shí)。
組合電路和時(shí)序電路是計(jì)算機(jī)原理的基礎(chǔ)課杠步，組合電路描述的是單一的函數(shù)功能氢伟，函數(shù)輸出只與當(dāng)前的函數(shù)輸入相關(guān)；時(shí)序電路則引入了時(shí)間維度幽歼，時(shí)序電路在通電的情況下朵锣，能夠保持狀態(tài)，電路的輸出不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)甸私，而且與前一時(shí)刻的電路狀態(tài)相關(guān)诚些，如我們個(gè)人PC中的內(nèi)存和CPU中的寄存器，均為時(shí)序電路皇型。
說(shuō)了這么多诬烹，我們學(xué)習(xí)的組合電路和時(shí)序電路在計(jì)算機(jī)中又是怎么一回事呢？為了便于理解弃鸦，下面以一個(gè)大家都能接受的C語(yǔ)言程序開(kāi)始绞吁，從上層向下層開(kāi)始解釋。
void main(){ int a ＝ 3, b ＝ 5; int sum = a + b; }
這個(gè)例子大家都能明白唬格，main函數(shù)要做的事情就是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的加法操作家破。這是我們?nèi)祟惖乃季S方式，但是計(jì)算機(jī)并不認(rèn)識(shí)购岗，如何讓計(jì)算機(jī)理解呢汰聋？于是，我們需要將上面這個(gè)程序翻譯成機(jī)器能理解的模樣喊积，這時(shí)候就需要借助編譯器（如常見(jiàn)的gcc烹困、msc等）將上面的程序翻譯成MIPS指令（不同的CPU有不同的指令集，包括X86指令集注服、MIPS指令集韭邓、Sparc指令集等，我們?cè)谶@里用MIPS指令集溶弟，咱們的龍芯也是采用MIPS指令集）女淑，如下所示：
#下面的每條匯編代碼對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制 addi $t0, 0, 3 # a = 0+3, a保存在$t0寄存器中， 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼為：0010 00** **** **** **** **** **** ****（這里的星號(hào)*表示二進(jìn)制辜御，這里暫時(shí)不關(guān)心） addi $t1, 0, 5 # b = 0+5, b保存在$t1寄存器中 addi $t2, $t1, $t0 # sum ＝ a ＋ b鸭你， sum保存在$t2寄存器中
到這里，大家一定還在疑惑擒权，不是說(shuō)要翻譯成二進(jìn)制代碼嗎袱巨？怎么是MIPS匯編語(yǔ)言？對(duì)碳抄，就是匯編語(yǔ)言愉老，這個(gè)匯編語(yǔ)言中的每一條指令就對(duì)應(yīng)一條二進(jìn)制代碼，匯編的方式更容易讓人理解剖效。
現(xiàn)在我們得到了計(jì)算機(jī)可以理解的MIPS指令（可以想象成可執(zhí)行程序）了嫉入，接下來(lái)的問(wèn)題是如何執(zhí)行MIPS指令。
要執(zhí)行程序璧尸，首先必須將可執(zhí)行程序文件（從外設(shè)）加載到內(nèi)存咒林。可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存時(shí)爷光，操作系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)可執(zhí)行程序在內(nèi)存中分配四個(gè)區(qū)：
- 1 代碼區(qū)垫竞。也就是前面的到的匯編代碼所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼
- 2 全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。全局變量蛀序，靜態(tài)變量放在這個(gè)區(qū)
- 3 堆區(qū)欢瞪。表示在程序執(zhí)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的空間在這個(gè)區(qū)哼拔，如C語(yǔ)言中的malloc, free操作均是針對(duì)此區(qū)中的對(duì)象執(zhí)行申請(qǐng)或釋放操作
- 4 棧區(qū)引有。函數(shù)運(yùn)行時(shí)，局部變量的保存區(qū)域倦逐。
我們重點(diǎn)關(guān)注代碼區(qū)和棧區(qū)譬正，初始時(shí)，其分布如下圖所示：
其中PC（Program Counter）是程序計(jì)數(shù)器（是CPU中的一個(gè)寄存器檬姥，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能）曾我，即用來(lái)指示下一個(gè)即將執(zhí)行的指令的地址，本例中健民，進(jìn)入main函數(shù)后抒巢，即將執(zhí)行的第一條指令是a = 3，其地址為：0X FF FF FF 00, 因此PC指向其對(duì)應(yīng)的匯編代碼的地址秉犹。
CPU根據(jù)PC的的值蛉谜，從指定地址0X FF FF FF 00處獲取指令稚晚，然后解析指令，并執(zhí)行指令（即執(zhí)行a＝3）型诚。
當(dāng)a = 0執(zhí)行完畢后客燕，PC執(zhí)行操作：PC ＝ PC ＋ 4，PC指向0X FF FF FF 04狰贯，即b = 5的指令的地址也搓。此時(shí)，棧區(qū)的狀態(tài)為：
接著涵紊，CPU根據(jù)PC的的值傍妒，從指定地址0X FF FF FF 04處獲取指令，然后解析指令摸柄，并執(zhí)行指令（即執(zhí)行b＝5）颤练。當(dāng)b＝5執(zhí)行完畢后，PC執(zhí)行操作：PC ＝ PC ＋ 4塘幅，PC指向0X FF FF FF 08昔案，即sum＝a＋b的指令的地址。此時(shí)电媳，棧區(qū)的狀態(tài)為：
然后踏揣，CPU根據(jù)PC的的值，從指定地址0X FF FF FF 08處獲取指令匾乓，然后解析指令捞稿，并執(zhí)行指令（即執(zhí)行sum＝a＋b）。當(dāng)sum＝a＋b執(zhí)行完畢后拼缝，PC執(zhí)行操作：PC ＝ PC ＋ 4娱局，PC指向0X FF FF FF 12（因?yàn)椋噶钜呀?jīng)執(zhí)行完畢咧七，這里應(yīng)該提示要從main函數(shù)返回）衰齐。此時(shí)，棧區(qū)的狀態(tài)為：
至此為止继阻，main函數(shù)內(nèi)部的流程基本上陳述完了（關(guān)于函數(shù)間調(diào)用耻涛，相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算機(jī)組成中會(huì)詳細(xì)講解）瘟檩，但如何實(shí)現(xiàn)這些步驟呢抹缕，其中的關(guān)鍵問(wèn)題包括如下：
問(wèn)題：
- 知道內(nèi)存地址，如何定位到那個(gè)地址墨辛？卓研？？答案：地址譯碼器
- 獲取到a＝3對(duì)應(yīng)的指令后，如何知道是做a=0+3的操作奏赘？寥闪？？答案：解析指令磨淌，指令譯碼器
- PC寄存器如何保存值橙垢？如何做加4操作？答案：計(jì)數(shù)器（寄存器講解）
