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第一章 CPU是什么

1.1 CPU構(gòu)成

CPU構(gòu)成：CPU是由寄存器、控制器卑惜、運算器和時鐘四個部分構(gòu)成膏执。

• 寄存器：可用來暫存指令、數(shù)據(jù)等處理對象露久，可以將其看做是內(nèi)存的一種更米。
• 控制器：負(fù)責(zé)把內(nèi)存上的指令、數(shù)據(jù)等讀入寄存器毫痕，并根據(jù)指令的執(zhí)行結(jié)果來控制整個計算機(jī)征峦。
• 運算器：負(fù)責(zé)運算從內(nèi)存讀入寄存器的數(shù)據(jù)迟几。
• 時鐘：負(fù)責(zé)發(fā)出CPU開始計時的時鐘信號。（部分CPU的時鐘位于CPU外部）

CPU簡易工作流程：程序啟動后栏笆，根據(jù)時鐘信號类腮，控制器會從內(nèi)存（DRAM）中讀取指令和數(shù)據(jù)。通過對這些指令加以解釋和運行竖伯，運算器就會對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算存哲，控制器根據(jù)該運算結(jié)果來控制計算機(jī)。

詞條解釋：

• 高級編程語言：能夠使用類似于人類語言語法來記述的語言七婴，如BASIC祟偷、C、C++打厘、OC等
• 低級編程語言：與高級編程語言相對修肠，包括機(jī)器語言和匯編語言。
• 匯編語言：采用助記符來編寫程序的語言户盯，有時也稱之為匯編嵌施。
• 助記符：通常為指令功能的英文單詞的簡寫，比如mov和add分別是數(shù)據(jù)的存儲（move）和相加（addition）的簡寫莽鸭。
• 匯編：通常將匯編語言編寫的程序轉(zhuǎn)化成機(jī)器語言的過程稱之為匯編吗伤。
• 反匯編：機(jī)器語言程序轉(zhuǎn)化成匯編語言程序的過程則稱之為反匯編。
• 編譯：將使用高級編程語言編寫的程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言的過程硫眨。

1.2 寄存器的重要性

對于程序員來說足淆，CPU可以看做是具有各種功能的寄存器的集合體。
寄存器種類：

• 累加寄存器：只有一個礁阁，存儲執(zhí)行運算的數(shù)據(jù)和運算后的數(shù)據(jù)巧号。
• 標(biāo)志寄存器：只有一個，存儲運算處理后的CPU的狀態(tài)姥闭。
• 程序計數(shù)器：只有一個丹鸿，存儲下一條指令所在內(nèi)存的地址。
• 棧 寄 存 器 ：只有一個棚品，存儲棧區(qū)域的起始地址靠欢。
• 指令寄存器：只有一個，存儲指令铜跑。CPU內(nèi)部使用门怪，程序員無法通過程序?qū)υ摷拇嫫鬟M(jìn)行讀寫操作。
• 基址寄存器：多個疼进，存儲數(shù)據(jù)內(nèi)存的起始地址薪缆。
• 變址寄存器：多個秧廉，存儲基址寄存器的相對地址伞广。
• 通用寄存器：多個拣帽，存儲任意數(shù)據(jù)。

詞條解釋：
溢出：是指運算的結(jié)果超出了寄存器的長度范圍嚼锄。

1.3 程序計數(shù)器

程序計數(shù)器決定著程序的執(zhí)行流程减拭。
CPU每執(zhí)行一個指令，程序計數(shù)器的值就會加1区丑，然后CPU的控制器就會參照程序計數(shù)器的數(shù)值拧粪，從內(nèi)存中讀取命令并執(zhí)行。

1.4 條件分支和循環(huán)分支

程序的流程分為順序執(zhí)行沧侥、條件分支和循環(huán)三種可霎。

• 順序執(zhí)行：按照命令地址內(nèi)容的順序執(zhí)行指令。每次執(zhí)行一個指令程序宴杀，程序計數(shù)器的值就自動加1癣朗。
• 條件分支：是指根據(jù)條件執(zhí)行任意命令地址的指令。程序計數(shù)器執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令旺罢，程序計數(shù)器的值指向任意指定值旷余。
• 循環(huán)執(zhí)行：是指重復(fù)執(zhí)行同一命令地址的指令。程序計數(shù)器執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令扁达，程序計數(shù)器的值指向任意指定值正卧。

CPU在進(jìn)行運算時，標(biāo)志寄存器的值會根據(jù)運算結(jié)果自動設(shè)定跪解。條件炉旷、循環(huán)分支在跳轉(zhuǎn)指令前會比較運算，是否執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令惠遏，由CPU在參考標(biāo)志寄存器的數(shù)值后進(jìn)行判斷砾跃。
運算結(jié)果的正、負(fù)和零三種狀態(tài)是由標(biāo)志寄存器的三個位表示节吮。
以32位CPU（寄存器的長度是32位）的標(biāo)志寄存器為例抽高，如圖：

標(biāo)志寄存器.png

CPU的比較機(jī)制，就是一個數(shù)減去另一個數(shù)透绩，然后將結(jié)果保存到標(biāo)志寄存器中翘骂。

1.5 函數(shù)的調(diào)用機(jī)制

為了處理在函數(shù)內(nèi)部處理完成后，處理流程（程序計數(shù)器）能夠再返回到函數(shù)調(diào)用點繼續(xù)執(zhí)行帚豪，機(jī)器語言采用的是call指令和return指令碳竟。
在將函數(shù)的入口地址設(shè)定到程序計數(shù)器之前，call指令會把調(diào)用函數(shù)后要執(zhí)行的指令的地址存儲在棧內(nèi)存中狸臣。函數(shù)處理完畢后莹桅，再通過函數(shù)的出口來執(zhí)行return指令，把存儲在棧中的指令地址設(shè)定到程序計數(shù)器中烛亦。

1.6 通過地址和索引實現(xiàn)數(shù)組

數(shù)組的實際地址 = 基址寄存器（固定） + 變址寄存器（變化）
1000 0000 = 1000 0000 + 0000 0000
1000 0001 = 1000 0000 + 0000 0001
1000 0002 = 1000 0000 + 0000 0002

變址寄存器相當(dāng)于高級編程語言中數(shù)組的索引功能诈泼。

1.7 機(jī)器語言的指令

機(jī)器語言指令的主要類型和功能：