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這個(gè)問(wèn)題真的是很大，讓我們自頂向下的解釋。

在頂層，程序員編寫(xiě)出來(lái)的都是源代碼。源代碼可以使用各種高級(jí)語(yǔ)言寫(xiě)成，例如 c/c++ c# java python 等等；也可以使用對(duì)應(yīng)平臺(tái)的低級(jí)語(yǔ)言寫(xiě)成，例如匯編。想必你已經(jīng)了解其中的過(guò)程了。

到這一步為止，距離最終機(jī)器可以執(zhí)行的指令還有一大步要走。

首先要面臨的一個(gè)問(wèn)題是：源代碼都是以人類(lèi)語(yǔ)言寫(xiě)成的。即便是能夠和機(jī)器指令一對(duì)一翻譯的匯編代碼，依然是人類(lèi)語(yǔ)言。計(jì)算機(jī)無(wú)法理解其中的含義，所以不可能執(zhí)行。

所以我們需要將人類(lèi)語(yǔ)言翻譯為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。計(jì)算機(jī)能聽(tīng)懂的語(yǔ)言，就叫做機(jī)器語(yǔ)言，簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)器碼。

在這里說(shuō)幾句題外話。

在計(jì)算機(jī)歷史的上古時(shí)代，大概是上個(gè)世紀(jì)50年代之前。那時(shí)編譯理論和形式語(yǔ)言還沒(méi)有得到發(fā)展。幾乎所有的程序都是直接由機(jī)器碼寫(xiě)成的。比如由工程師直接將二進(jìn)制機(jī)器碼和數(shù)值編寫(xiě)在打孔卡上，通過(guò)讀卡機(jī)讀入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，然后執(zhí)行。

而打孔卡長(zhǎng)這個(gè)樣子：

<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-c8536a9e501f9e21ef1dd6d9ef0a6096_hd.jpg" data-rawwidth="2232" data-rawheight="1004" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="2232" data-original="https://pic1.zhimg.com/v2-c8536a9e501f9e21ef1dd6d9ef0a6096_r.jpg">

（來(lái)自 wiki，80列標(biāo)準(zhǔn) IBM 打孔卡，你能讀出上面是什么意思嗎？）

計(jì)算機(jī)的基本架構(gòu)雖然經(jīng)過(guò)了將近百年的發(fā)展，但是核心的模型倒是一直很穩(wěn)定，都是存儲(chǔ)程序模型。

首先將程序指令從外存（打孔卡，磁帶，硬盤(pán)，軟盤(pán)，光盤(pán)，閃存卡，網(wǎng)絡(luò)等）讀入內(nèi)存，然后讓處理器從內(nèi)存按順序取指執(zhí)行，結(jié)果寫(xiě)回內(nèi)存中。

在那個(gè)年代，人們對(duì)程序運(yùn)行原理的理解是不存在什么障礙的。工程師怎么寫(xiě)，計(jì)算機(jī)就嚴(yán)格的按照指令執(zhí)行。每一條指令對(duì)應(yīng)一個(gè)步驟。最后的到結(jié)果。

在這種條件下，程序開(kāi)發(fā)絕對(duì)是頂尖的職業(yè)，首先能夠理解目標(biāo)機(jī)的架構(gòu)就需要相當(dāng)?shù)墓Ψ蛄恕Ｆ浯芜€要按照機(jī)器的方式思考，寫(xiě)出正確無(wú)誤的指令序列。

這樣的開(kāi)發(fā)過(guò)程無(wú)疑限制了計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

同時(shí)，即便是擅長(zhǎng)于按照機(jī)器方式思考的工程師，也認(rèn)為機(jī)器指令太難記了。如你所見(jiàn)，在打孔卡上準(zhǔn)確無(wú)誤的寫(xiě)上指令真是頭疼的要死。所以工程師們開(kāi)發(fā)了一套助記符，用來(lái)指示對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼，這樣以來(lái)，程序的編寫(xiě)和 debug 就方便多了。到上世紀(jì)40年代末期，就已經(jīng)有一批成熟的助記符體系了。

<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-167f82b471c3e2f12622f731a9e5cbd9_hd.jpg" data-rawwidth="1330" data-rawheight="940" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1330" data-original="https://pic1.zhimg.com/v2-167f82b471c3e2f12622f731a9e5cbd9_r.jpg">

（ARM v7 匯編指令卡中的某一頁(yè)）

關(guān)于助記符的話題，暫且擱置。

回到正題。為了將人類(lèi)語(yǔ)言翻譯成機(jī)器變成機(jī)器能夠理解的語(yǔ)言，還需要進(jìn)行翻譯。就好像你不懂英語(yǔ)，英語(yǔ)可以翻譯成漢語(yǔ)，這樣你就能明白其中的含義。對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程是一樣的。不過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)于翻譯有更高的要求。人類(lèi)之間互相翻譯語(yǔ)言，有一些微小的出入并不影響理解，計(jì)算機(jī)為了能夠準(zhǔn)確的得到結(jié)果，要求這個(gè)翻譯的過(guò)程，必須保證“將一種語(yǔ)言翻譯成涵義相同的等價(jià)的另一種語(yǔ)言”。

在早期，程序的規(guī)模還比較小，翻譯的過(guò)程可以人工的進(jìn)行。利用查表的方式，最終是可以得到等價(jià)的機(jī)器碼序列。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，程序規(guī)模膨脹的越來(lái)越快，人工翻譯變的沒(méi)有可行性。此時(shí)就有人提出，編寫(xiě)一套軟件來(lái)進(jìn)行這個(gè)翻譯的過(guò)程。

一開(kāi)始人們只用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。所以只需要將匯編語(yǔ)言翻譯為機(jī)器語(yǔ)言就可以了。這是相當(dāng)直截了當(dāng)?shù)倪^(guò)程，因?yàn)閰R編語(yǔ)言的助記符和機(jī)器指令是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。所以只需要完成一個(gè)能夠自動(dòng)查表并轉(zhuǎn)換的程序即可。很快，這樣的程序就被發(fā)明了出來(lái)。我們稱(chēng)之為“匯編器”。

伴隨著匯編器的發(fā)展，工程師又開(kāi)始想要偷懶。他們認(rèn)為，既然匯編器可以將匯編指令翻譯成等價(jià)的機(jī)器碼，那么在翻譯之前一定也可以做一些預(yù)先處理的工作，將一個(gè)助記符轉(zhuǎn)換為多個(gè)助記符組成的序列。這樣以來(lái)，開(kāi)發(fā)人員就可以使用較少的代碼，寫(xiě)出較多的內(nèi)容。同時(shí)將常用的一些程序結(jié)構(gòu)編寫(xiě)成對(duì)應(yīng)的助記符，在需要時(shí)就使用這個(gè)助記符，還可以幫助開(kāi)發(fā)人員減少程序出錯(cuò)的可能。簡(jiǎn)直太好了。于是，人們又在匯編器中引入了宏指令。

所謂“宏（macro）”就是一套預(yù)先定義好的指令序列。每當(dāng)匯編進(jìn)行的時(shí)候，先預(yù)處理一次將宏等價(jià)的展開(kāi)，然后再進(jìn)行翻譯。如此，源程序變的更加容易理解了。

宏的引入，催生了程序結(jié)構(gòu)化表達(dá)。在今天的匯編語(yǔ)言當(dāng)中，我們也可以像使用高級(jí)語(yǔ)言的 if else for while 語(yǔ)句一樣，使用等價(jià)的結(jié)構(gòu)語(yǔ)句。只不過(guò)，匯編中的結(jié)構(gòu)語(yǔ)句都是宏實(shí)現(xiàn)的。

結(jié)構(gòu)化表達(dá)給了一些計(jì)算機(jī)科學(xué)人員啟發(fā)。能不能更進(jìn)一步，使用完全結(jié)構(gòu)化，脫離某個(gè)對(duì)應(yīng)機(jī)器平臺(tái)的形式化語(yǔ)言來(lái)描述一個(gè)源程序？于是，就有了高級(jí)語(yǔ)言及其編譯器。

開(kāi)發(fā)人員利用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序，然后利用對(duì)應(yīng)的編譯器生成中間代碼，最后再將中間代碼變成機(jī)器碼。中間代碼可以是等價(jià)的匯編代碼，也可以是其它類(lèi)型的代碼例如 JVM 的字節(jié)碼。最終處理中間代碼的程序可以是一個(gè)對(duì)應(yīng)平臺(tái)的匯編器，也可以是一個(gè)解釋器。在這里姑且隱去這些細(xì)節(jié)，將編譯的最終產(chǎn)物都視為一系列可以被執(zhí)行的二進(jìn)制機(jī)器碼。關(guān)于編譯器的更多內(nèi)容，在網(wǎng)上可以找到很多詳細(xì)的資料。在這個(gè)話題下，編譯器不是核心問(wèn)題，我就不再深入討論了。

至此，就得到了一個(gè)可以被執(zhí)行的程序了。這個(gè)文件的內(nèi)容是一系列二進(jìn)制指令和數(shù)據(jù)組成的序列。它能被裝入機(jī)器的內(nèi)存，并且可以被處理器解碼執(zhí)行。

但是，為什么是二進(jìn)制？

說(shuō)回來(lái)，計(jì)算機(jī)其實(shí)是長(zhǎng)期使用的一個(gè)簡(jiǎn)稱(chēng)。嚴(yán)格的講應(yīng)該叫做“電子計(jì)算機(jī)”。但是計(jì)算機(jī)的形態(tài)并不限于電子式計(jì)算機(jī)。算盤(pán)，計(jì)算尺，對(duì)數(shù)計(jì)算表都可以算作廣義上的計(jì)算機(jī)，同時(shí)在電子式計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，它的還有一個(gè)機(jī)械式計(jì)算機(jī)的表親。

<img src="https://pic3.zhimg.com/50/v2-39e7480eed57ce4010d52f631b34e451_hd.jpg" data-rawwidth="1704" data-rawheight="2272" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1704" data-original="https://pic3.zhimg.com/v2-39e7480eed57ce4010d52f631b34e451_r.jpg">

（來(lái)自 Wiki 。 查爾斯·巴貝奇 的分析機(jī)。蒸汽動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，采用十進(jìn)制，其內(nèi)存能夠存儲(chǔ)1000個(gè)50位的十進(jìn)制數(shù)，相當(dāng)于20.7 KB 的 SRAM 或 DDRAM。采用打孔紙帶讀入程序，具有類(lèi)似匯編語(yǔ)言的助記符編程系統(tǒng)，是圖靈完備的。很蒸汽朋克，嗯？）

可是我們并不認(rèn)為算盤(pán)以及計(jì)算尺和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是同一個(gè)東西。最核心的區(qū)別在于，現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)是可編程的。按照這個(gè)定義，上面的分析機(jī)也是現(xiàn)代電子是計(jì)算機(jī)的鼻祖。它身上的核心模型一直繼承至今。

在分析機(jī)上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 “ 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī) ”。

這也就是現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的基本概念：

以運(yùn)算單元為中心

采用存儲(chǔ)程序原理

存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)的，線性的空間

控制流由程序的指令流產(chǎn)生

指令由操作碼和操作數(shù)組成

這一概念所描述的計(jì)算模型具有以下的過(guò)程：將完整的程序裝入存儲(chǔ)器后，運(yùn)算單元依照地址按順序的從存儲(chǔ)器中取出指令和數(shù)據(jù)且執(zhí)行。指令序列就像流水一樣“流”入運(yùn)算單元，當(dāng)指令流盡，就意味著程序結(jié)束了。

<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-4dff85953dd98440a398a57f3a7e5c8e_hd.jpg" data-rawwidth="543" data-rawheight="223" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="543" data-original="https://pic1.zhimg.com/v2-4dff85953dd98440a398a57f3a7e5c8e_r.jpg">

對(duì)于計(jì)算機(jī)，自然是希望運(yùn)算的速度越快越好。所以機(jī)械式運(yùn)算很快就淘汰了。取而代之的就是電子式計(jì)算機(jī)。

電子式計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)，就是數(shù)字電路。因?yàn)槎M(jìn)制可以很自然的表示開(kāi)和關(guān)的兩種狀態(tài)，高和低的兩種狀態(tài)，通和斷的兩種狀態(tài)，等等。所以很快就取得了主導(dǎo)低位，其它進(jìn)制的數(shù)字電子器件淪為小眾。

理論上，二進(jìn)制和十進(jìn)制表示的數(shù)的范圍是一樣多的。因?yàn)閷?shí)數(shù)集是一個(gè)連續(xù)同，不同進(jìn)制實(shí)質(zhì)上是對(duì)數(shù)集的不同分割。

基于二進(jìn)制數(shù)字電子器件制造的電子式計(jì)算機(jī)自然就需要二進(jìn)制的輸入輸出。

到了這個(gè)層次，我們基本上解釋了高級(jí)語(yǔ)言源程序是如何成為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制指令序列的。接下來(lái)的問(wèn)題是，計(jì)算機(jī)如何識(shí)別并執(zhí)行二進(jìn)制指令呢？

通用處理器被稱(chēng)為“通用”，就是因?yàn)樗幌薅ㄓ谔囟ㄓ猛?。路邊上買(mǎi)一個(gè)計(jì)算器。只能計(jì)算四則運(yùn)算，而計(jì)算機(jī)還能進(jìn)行字處理，可以玩游戲看電影。都有賴(lài)于通用處理器提供的運(yùn)算能力。

為了實(shí)現(xiàn)通用的目標(biāo)，處理器在設(shè)計(jì)之初就不能對(duì)未來(lái)可能進(jìn)行的運(yùn)算進(jìn)行限制。但是未來(lái)的可能性是無(wú)窮的。處理器不可能窮盡所有可能。

所以，處理器提供了一套它能夠支持的運(yùn)算操作的集合，稱(chēng)為“指令集”。指令集就限定了該處理器能夠進(jìn)行的所有運(yùn)算。而且這些運(yùn)算通常都是有關(guān)于數(shù)字的運(yùn)算。如果我們想解決一個(gè)任意問(wèn)題，那么首先要把這個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字問(wèn)題，再把數(shù)字問(wèn)題的解答過(guò)程，用指令集當(dāng)中的指令求解。

將其它問(wèn)題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問(wèn)題的一種方法就是編碼。比如我們常見(jiàn)的 ASCII 碼表，就是把英語(yǔ)字符數(shù)字字符以及電報(bào)傳輸過(guò)程中的控制字編碼成對(duì)應(yīng)的數(shù)字。例如字符 a 就等于數(shù)字97。

處理器的指令集同樣是經(jīng)過(guò)編碼的。所以我們才能用二進(jìn)制數(shù)字流來(lái)表示指令。

舉個(gè)例子。在一個(gè)典型的 Intel IA-32 處理器上所支持的 x86 指令集。假設(shè)我們想將一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)從內(nèi)存移動(dòng)到 al 寄存器，不妨就讓這個(gè)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中 0x20 （十六進(jìn)制表示的32）號(hào)字節(jié)的位置好了。那么，我們要寫(xiě)出匯編代碼：

mov al, 30h

將這一行代碼送入?yún)R編器，得到對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼為：

0xB0 0x20

二進(jìn)制的表示為：

1011 0000 0010 0000

其中 0xB0 就是我們的指令，也就是執(zhí)行第 176 號(hào)指令。這條指令的意思是：從內(nèi)存中指定的位置搬移數(shù)據(jù)一個(gè)字節(jié)寬度的數(shù)據(jù)到 al 寄存器。地址由緊跟在本指令后的數(shù)給出，在這里就是 0x20。

指令集中的每一個(gè)指令都可以這樣編碼。每一條指令都定義了一系列的操作。

如此，只要按照順序的從存儲(chǔ)器讀入指令代號(hào)和數(shù)據(jù)，就可以讓程序執(zhí)行下去。

你又要說(shuō)了，那如果我有循環(huán)，有條件判斷怎么辦？

簡(jiǎn)單。處理器為了能順序的取指并執(zhí)行，需要知道當(dāng)前指令的下一條指令在哪里。為什么不是這一條指令在哪了？因?yàn)檫@一條指令已經(jīng)取回來(lái)了，所以它在哪里就不重要了。為了記錄當(dāng)前指令的下一條指令的位置，處理器內(nèi)部有一個(gè)存放了這個(gè)地址的電子裝置，實(shí)現(xiàn)上它是一系列門(mén)電路組成的鎖存器，叫做 IP 寄存器（也有叫做 PC 的，這里統(tǒng)稱(chēng)為 IP）。IP 的值可以在運(yùn)行時(shí)被修改。那么只要提供了能夠修改 IP 值的指令，就能改變程序的執(zhí)行流程?？梢苑祷氐街暗哪硞€(gè)位置，也可以一次前進(jìn)到之后的某個(gè)位置。這個(gè)過(guò)程叫做“跳轉(zhuǎn)”。

所謂循環(huán)和判斷，本質(zhì)上都是判斷并跳轉(zhuǎn)。

用一個(gè)程序來(lái)做一個(gè)直觀的說(shuō)明。這個(gè)程序很簡(jiǎn)單。求出一個(gè)數(shù)組中所有數(shù)的和，然后返回這個(gè)值，如果這個(gè)值是0，則返回一個(gè) -1。

和它等價(jià)的 C 代碼如下，這里我們將結(jié)果返回運(yùn)行時(shí)：

int main(void) {int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5};int result = 0;for (size_t i = 0; i != 5; ++i) result += numbers[i];return (result == 0 ? -1 : result); }

編譯器產(chǎn)生的匯編文件長(zhǎng)什么樣子呢？長(zhǎng)這樣的：

CONST SEGMENT constNumbers: 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05 CONST ENDSTEXT SEGMENT numbers SIZE 20 BYTEmain PROCsub esp, 20 movaps xmm0, XMMWORD PTR constNumbersxor eax, eaxpush 5pop edxmovups XMMWORD PTR numbers[ebp], xmm0mov DWORD PTR numbers[ebp+16], edxmov ecx, eax Loop:add eax, DWORD PTR numbers[ebp+ecx*4]inc ecxcmp ecx, edxjne SHORT Loopor ecx, -1test eax, eaxcmove eax, ecx_main ENDP _TEXT ENDS END

為了便于解釋，這里隱去了很多細(xì)節(jié)，并且使用了很多偽代碼。上面的匯編程序是不經(jīng)修改是無(wú)法通過(guò)編譯的。

等價(jià)的二進(jìn)制文件又是什么樣子呢？為了方便閱讀，我稍稍整理了一下，并且加上了對(duì)應(yīng)的匯編代碼，它長(zhǎng)這個(gè)樣子：

<img src="https://pic4.zhimg.com/50/v2-8b6115a3b19af8d6b459aeb45b0223b9_hd.jpg" data-rawwidth="658" data-rawheight="307" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="658" data-original="https://pic4.zhimg.com/v2-8b6115a3b19af8d6b459aeb45b0223b9_r.jpg">

（第8行操作數(shù)應(yīng)當(dāng)分為兩列，這里有一個(gè)小錯(cuò)誤。）

同樣的，還是省去了很多細(xì)節(jié)。綠色的部分就是機(jī)器碼。

我完全理解使用助記符和高級(jí)語(yǔ)言的重要性。否則誰(shuí)能通過(guò)機(jī)器碼一眼看出一段程序的含義呢？

當(dāng)程序裝入內(nèi)存以后，IP將被（另外的某個(gè)程序，可能來(lái)自操作系統(tǒng)，或者其它軟件）設(shè)置為 1，意思是：下一條要讀取的指令在 1 的位置。然后處理器就開(kāi)始讀入指令。

為什么處理器會(huì)讀入指令呢？它是收到某個(gè)信號(hào)才會(huì)讀指令嗎？簡(jiǎn)單的講，處理器從上電到掉電的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中只做三件事情，那就是：

從內(nèi)存讀取一條指令和指令攜帶的操作數(shù)，同時(shí) IP + 1

解碼并執(zhí)行指令

回到 1

所以不需要什么信號(hào)。在上一條指令將 IP 的值修改為 1 之后，處理器就已經(jīng)完成跳轉(zhuǎn)，找到程序入口了。

處理器取指，讀入第一條指令 0xce83。這里要插入一點(diǎn)，Intel 的處理器采用的是小端數(shù)據(jù)格式，就是說(shuō)一個(gè)數(shù)的高位放在地址較高的地方，低位放在地址較低的位置。所以要倒過(guò)來(lái)讀，在這里就不詳細(xì)解釋了，略過(guò)。

處理器將這條啊指令送入解碼器，解碼的結(jié)果告訴處理器，應(yīng)當(dāng)執(zhí)行“將 esp 寄存器中的值減去一個(gè)指定數(shù)，該數(shù)由緊隨指令的連續(xù)四個(gè)字節(jié)指定”的操作。然后處理器通過(guò)數(shù)據(jù)總線連續(xù)讀入四個(gè)字節(jié)，得出操作數(shù)應(yīng)該是 0x14（十六進(jìn)制的20）。接著就執(zhí)行了這個(gè)操作，IP + 1，繼續(xù)取出下一條指令。

這個(gè)過(guò)程是很好理解的?？傊褪沁@樣的循環(huán)。直到斷電。

再注意一下行號(hào) 11 和 12 標(biāo)識(shí)的代碼。11 行將執(zhí)行比較 ecx 寄存器中的值和 edx 寄存器內(nèi)的值。根據(jù)不同的結(jié)果，12 行指令將有不同的行為：

• 兩個(gè)值相同的時(shí)候，12 行指令什么也不做，IP + 1。
• 兩個(gè)值不同的時(shí)候，12 行指令會(huì)將 Loop 標(biāo)號(hào)的地址寫(xiě)入 IP。 IP = 9。

程序走著走著就走回去了。這就是比較與跳轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單吧。

而 10 行的代碼將會(huì)使 ecx 寄存器內(nèi)的值增長(zhǎng)，每次經(jīng)過(guò) 10 行都 +1，隨著循環(huán)的進(jìn)行，程序流不斷的跳轉(zhuǎn)到 9 行，然后經(jīng)過(guò) 10 行。在某一次經(jīng)過(guò)后，ecx 等增長(zhǎng)正好令 ecx = edx 成立。這時(shí)候 12 行將什么也不做，IP 指向 13，程序又繼續(xù)進(jìn)行下去了。

接下來(lái)，進(jìn)入處理器的層次來(lái)理解它如何工作的。在這里我們要討論四個(gè)問(wèn)題：

指令是如何表示的？

數(shù)據(jù)是如何取回的？

指令是如何解碼的？

指令是如何執(zhí)行的？

程序運(yùn)行的過(guò)程，上面已經(jīng)提到過(guò)了。程序是完整的裝入內(nèi)存中的。運(yùn)算器能夠直接操作的只有存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。他們之間的硬件連接如圖所示：

<img src="https://pic3.zhimg.com/50/v2-3b06f9699950184c4b4c210d145eb13c_hd.jpg" data-rawwidth="648" data-rawheight="424" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="648" data-original="https://pic3.zhimg.com/v2-3b06f9699950184c4b4c210d145eb13c_r.jpg">

sorry，搞錯(cuò)了，是這個(gè)：

<img src="https://pic2.zhimg.com/50/v2-1ad9ef2a8a07b07281896f4f040c9457_hd.jpg" data-rawwidth="800" data-rawheight="668" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="800" data-original="https://pic2.zhimg.com/v2-1ad9ef2a8a07b07281896f4f040c9457_r.jpg">

圖上黃色的一根粗線其實(shí)以一排并列的導(dǎo)線，在這里是 8 根導(dǎo)線并列在一起。只是看起來(lái)畫(huà)在了一起，其實(shí)是互相分開(kāi)的。

使用 8051 及其外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口電路來(lái)說(shuō)明問(wèn)題主要是為了簡(jiǎn)便。在不失準(zhǔn)確性的前提下，我依然隱去一些細(xì)節(jié)，方便理解。

訪問(wèn)存儲(chǔ)器的過(guò)程主要關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題：

送出地址

取回?cái)?shù)據(jù)

考慮一般的訪問(wèn)過(guò)程，當(dāng)運(yùn)算器執(zhí)行如下操作時(shí)：

mov al, 0xD0D0

將會(huì)發(fā)生什么呢？

首先 mov 指令指定了數(shù)據(jù)搬移的操作，第二個(gè)操作數(shù)是一個(gè)立即數(shù)參數(shù)，直接給出了地址?，F(xiàn)在就要到存儲(chǔ)器當(dāng)中去找這個(gè)地方了。

處理器不能直接操作存儲(chǔ)器的具體單元，但是它可以請(qǐng)存儲(chǔ)器將對(duì)應(yīng)單元中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，然后取回來(lái)。你肯定有過(guò)取快遞的經(jīng)歷，菜鳥(niǎo)驛站去過(guò)吧，門(mén)市點(diǎn)不會(huì)讓你親自進(jìn)倉(cāng)庫(kù)去找快遞的，但是你可以告訴快遞小哥你的單號(hào)，然后他進(jìn)去幫你找到，最后把包裹交給你。內(nèi)存和這一個(gè)意思。

處理器首先將地址放到地址總線上，地址總線就是圖上 D0-D7 和 A8-A15 這15 根導(dǎo)線組成的。

處理器將自己的端口設(shè)置成對(duì)應(yīng)的值，就把地址放到了總線上。0xD0D0對(duì)應(yīng)的端口狀態(tài)應(yīng)該是：

<img src="https://pic2.zhimg.com/50/v2-d914aedb579fae88ba0d43ca7d4fc43e_hd.jpg" data-rawwidth="1155" data-rawheight="41" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1155" data-original="https://pic2.zhimg.com/v2-d914aedb579fae88ba0d43ca7d4fc43e_r.jpg">

(圖有點(diǎn)小）

然后，處理器告訴存儲(chǔ)器，我準(zhǔn)備好取數(shù)據(jù)了，地址在總線上，請(qǐng)你準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。具體的方式就是拉低 端口的電壓到地電位（一般就是 0V）。存儲(chǔ)器得到這個(gè)消息后，就從總線上取得地址。然后解碼這個(gè)地址，找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，假設(shè)數(shù)據(jù)是0x11吧，然后把數(shù)據(jù)再放回總線 D7-D0上。

處理器在發(fā)出取指指令后會(huì)等待一段時(shí)間，然后就從總線上取回?cái)?shù)據(jù)。取回的數(shù)據(jù)就當(dāng)做存儲(chǔ)器的回應(yīng)。至于這個(gè)等待的時(shí)間具體多長(zhǎng)，這是兩個(gè)設(shè)備間相互約定好的。不需要關(guān)心。

最后，將總線上取得的數(shù)據(jù) 0x11 放入 al 中，指令完成。

可能有的讀者就很迷惑了，為什么放到總線上就能傳遞數(shù)據(jù)呢。

真實(shí)的情況是，總線上傳遞的是電壓的信號(hào)。這也是為什么使用二進(jìn)制方便的原因。總線就是一組導(dǎo)線，在這一組導(dǎo)線上，一一對(duì)應(yīng)的連接了處理器和存儲(chǔ)器的端口。雖然電子在導(dǎo)體內(nèi)的移動(dòng)速度很慢，但是電場(chǎng)的傳播速度卻是光速。所以當(dāng)總線一端的端口建立了電位之后，另一端的電位將立刻改變。此時(shí)信號(hào)就已經(jīng)從一個(gè)器件傳遞到了另一個(gè)。器件之間信號(hào)的傳遞，依賴(lài)的就是端口上電壓的改變。器件對(duì)總線數(shù)據(jù)的讀取，就是讀取端口上電壓的高低。而二進(jìn)制可以使這個(gè)問(wèn)題變的很簡(jiǎn)單。只要端口上能夠反應(yīng)電壓的高和低區(qū)別就足以傳遞信號(hào)了，一般的，高電位的區(qū)間在 3.3V - 5.0V 之間，而低電位在 0V - 2.2V 之間。考慮到總線都是板級(jí)的傳輸，距離很近，總線上電場(chǎng)傳播所需要的時(shí)間可以忽略掉。那么一組總線傳播數(shù)據(jù)的速度就取決于其兩端端口上電位改變的速度。這可比讀卡器讀卡高了不知道哪去了。也比磁盤(pán)尋道和讀取快的多。

在數(shù)字電路中，我們一般用 0 表示低電平，用 1 表示高電平。

上面提到過(guò)，mov 指令的編碼是 0xB0。這個(gè)編碼是什么意思呢？將其寫(xiě)作二進(jìn)制會(huì)發(fā)現(xiàn)

0xB0 = 1011 0000

剛剛我們已經(jīng)介紹過(guò)了。0和是表示的就是電壓的高低?，F(xiàn)在一切都清楚了。數(shù)據(jù)的編碼其實(shí)就說(shuō)說(shuō)的端口上電壓的高低狀態(tài)。如果處理器的輸入端口在讀入指令時(shí)讀入的端口情況是從 D7到D0為 高低高高 低低低低。那么就讀入了 1011 0000。

那么我們已經(jīng)知道如何取數(shù)據(jù)了。取指令也是一個(gè)方法。只不過(guò)取指令的過(guò)程是自動(dòng)的，指令的地址總是 IP 的值。取回的指令總是送入指令解碼器當(dāng)中。

根據(jù)讀入數(shù)據(jù)時(shí)處理器所處的不同階段，將會(huì)給讀入的數(shù)據(jù)一個(gè)不同的解釋。讀指令階段就會(huì)把數(shù)據(jù)送入解碼器。讀數(shù)據(jù)階段就會(huì)把數(shù)據(jù)送入另外的地方。

接下來(lái)，就需要進(jìn)行指令解碼。指令解碼本身也是一個(gè)非常大的話題，其實(shí)單獨(dú)拿出來(lái)也可以寫(xiě)出和本篇一樣長(zhǎng)的文章了。在這里只能概略的介紹一下。

處理器本身要完成某些特定的運(yùn)算，在硬件上是需要某些特定結(jié)構(gòu)的電路的支持的。比如你要完成一次加法，就需要一個(gè)帶有加法器的電路。完成一次位移，就要有帶移位寄存器的電路。簡(jiǎn)單的說(shuō)，任何一條指令，都需要一組特定的電路來(lái)提供支持。但是人們通過(guò)長(zhǎng)期的對(duì)數(shù)字電路的研究發(fā)現(xiàn)。幾乎所有的運(yùn)算，都可以通過(guò)有限的幾種器件的不同組合來(lái)完成。這樣的話，我們的通用運(yùn)算器當(dāng)中，可以包含一些要素器件，然后通過(guò)運(yùn)行時(shí)改變它們的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。這就是我們思考指令編碼的方向。

其實(shí)在電子式計(jì)算機(jī)剛剛誕生的時(shí)候，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算器的復(fù)用了。運(yùn)算中心中包含了一組基礎(chǔ)的運(yùn)算器，它們的輸入輸出端口上同時(shí)連接了很多組不同的電路，每執(zhí)行一條指令的時(shí)候，都選擇其中特定的一組電路，使其生效，而讓剩下的電路失效。這樣在指令執(zhí)行的過(guò)程中，這一組執(zhí)行電路就可以獨(dú)占整個(gè)運(yùn)算器。當(dāng)運(yùn)算結(jié)束拿到結(jié)果后，電路再將運(yùn)算器釋放掉。就可以準(zhǔn)備下一次的運(yùn)算了。

在早期，還沒(méi)有指令編碼技術(shù)。要使用不同的指令，必須改變電路間的硬連接。也就是要把一組插頭從這里拔下來(lái)插到另外的地方去。世界上第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī) ENIAC 的操作方式就是如此。編程的方式是女工進(jìn)機(jī)房去接插頭。

<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-42cc3730a33fa5303e52eaa50dfd91ce_hd.jpg" data-rawwidth="382" data-rawheight="214" class="content_image" width="382">

（假設(shè)我們有三條可編程指令流水線，那么如果我們想依次執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，異或，求和的操作，就需要連接 #1 的 move， #2 的 xor 和 #3 的 add）

而后出現(xiàn)了指令編碼。送入的指令被解碼器解碼后，自動(dòng)啟動(dòng)一組對(duì)應(yīng)的電路。

<img src="https://pic3.zhimg.com/50/v2-af944f1f1713ade91eb16c40e468a422_hd.jpg" data-rawwidth="403" data-rawheight="180" class="content_image" width="403">

這樣說(shuō)也許很難讓人明白“自動(dòng)”的含義。所以我在這里實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的編碼指令處理器。在這里我們只實(shí)現(xiàn) 3 條指令：

• 指令0：將輸入端的數(shù)據(jù)存入寄存器 a
• 指令1：將輸入端的數(shù)據(jù)存入寄存器 b
• 指令2：取寄存器 a 寄存器 b 中的值求和，將結(jié)果放入寄存器 a

在這里我們只研究解碼，不管其它的因素，這樣就簡(jiǎn)化了問(wèn)題。不多說(shuō)，直接上圖：

<img src="https://pic2.zhimg.com/50/v2-87814e38f146df96bee0b3d745ef38be_hd.jpg" data-rawwidth="1182" data-rawheight="937" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1182" data-original="https://pic2.zhimg.com/v2-87814e38f146df96bee0b3d745ef38be_r.jpg">

最頂上的 instraction register 和 instraction decoder 的部分就是指令解器。首先將指令讀入一個(gè)寄存器，然后解碼。實(shí)際的運(yùn)算器也是這樣的流程。圖中藍(lán)色的就是數(shù)據(jù)總線，寄存器內(nèi)的值分別是兩個(gè)寄存器 Qx 端口上的值。

讓我們啟動(dòng)他它，來(lái)算一下 0x10 + 0x0F （16 + 15）是多少。

<img src="https://pic3.zhimg.com/50/v2-f36b90c5cb14f23d542e43e9d40779cf_hd.jpg" data-rawwidth="1182" data-rawheight="936" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1182" data-original="https://pic3.zhimg.com/v2-f36b90c5cb14f23d542e43e9d40779cf_r.jpg">

上電之后，我們注意到：

• 寄存器 a 和寄存器 b （右下兩個(gè)）都被初始化為 0xFF
• 輸入端口（左下角）上的值為 0x00
• 指令寄存器（上方）當(dāng)中當(dāng)前的指令為 0x0F （15號(hào)），這是一條未定義的指令，所以沒(méi)有任何效果。

首先我們要執(zhí)行

mov a, 0x10

當(dāng)指令讀入后，在指令輸入端將會(huì)是 0x00 的狀態(tài)，譯碼輸出端口上輸出全 0，指示出目前要執(zhí)行0 號(hào)指令。同時(shí)選中了 0 號(hào)指令的執(zhí)行電路。

數(shù)據(jù)端的輸入為 0001 0000。mov 命令的狀態(tài)下，輸入選擇器選擇輸入端口的數(shù)據(jù)放到總線上。同時(shí)，寄存器 a 被激活，將總線上的值存入：

<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-11a49ccbdf02d9f65d7bd431bea04fce_hd.jpg" data-rawwidth="1182" data-rawheight="936" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1182" data-original="https://pic1.zhimg.com/v2-11a49ccbdf02d9f65d7bd431bea04fce_r.jpg">

（可以看到 0x10 已經(jīng)被存入寄存器了）

第二條指令，我們將啟動(dòng)寄存器 b，然后存入數(shù)據(jù)。指令為：

mov b, 0x0f <img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-f10de0d8cfc7dd98ee94d89db11c4332_hd.jpg" data-rawwidth="1182" data-rawheight="936" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1182" data-original="https://pic1.zhimg.com/v2-f10de0d8cfc7dd98ee94d89db11c4332_r.jpg">

instraction decoder 的 1 號(hào)輸出被選中，此時(shí)激活了 1 號(hào)指令的電路。輸入端的 0x0F 被存入了寄存器 b。而寄存器 a 中的值保持不變。

第三條指令，2 號(hào)指令，求值。

add

沒(méi)有給出操作時(shí)是因?yàn)椴僮魇且呀?jīng)隱含的指明了，就是 a 和 b：

<img src="https://pic1.zhimg.com/50/v2-727b3d793df16781896a5d97d67b7742_hd.jpg" data-rawwidth="1182" data-rawheight="936" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1182" data-original="https://pic1.zhimg.com/v2-727b3d793df16781896a5d97d67b7742_r.jpg">

譯碼器的 2 號(hào)輸出選中了。全加器完成了運(yùn)算（左側(cè)是第四位，右側(cè)是高四位），結(jié)果放上了總線，被鎖存到了加法器的輸出緩沖器當(dāng)中。

同一時(shí)間，雙輸入選擇器也被激活。它截?cái)嗔溯斎攵丝诘倪B接而選擇加法器輸出緩沖值作為輸入，將其放上了總線。

寄存器 a 從總線取得數(shù)據(jù)，存入。完成了指令。

看看，結(jié)果是 0x1F，恰好就是我們預(yù)期的 31。

實(shí)際中的處理器的處理過(guò)程比這個(gè)復(fù)雜得多。這里為了方便理解，做了很多簡(jiǎn)化。但是概念都是相同的。處理器自動(dòng)的從內(nèi)存中讀入指令和數(shù)據(jù)，然后解碼，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的電路，最后拿到結(jié)果。如此往復(fù)。

到此為止，已經(jīng)幾乎完全說(shuō)明了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算原理，以及高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言的關(guān)系。但是我們依然可以更進(jìn)一部，探究一下數(shù)字電路的構(gòu)成。編碼器是怎么運(yùn)行的？寄存器是怎么鎖存數(shù)據(jù)的？

上面一直在說(shuō)解碼器，那么解碼器到底是什么？

處理器內(nèi)部的指令解碼器可能非常復(fù)雜，也許是一個(gè)器件，也有可能是一組器件，或者是可編程的硬件電路（對(duì)的，硬件電路也是可以編程的，例如 FPGA）。

而這里，我在上面的例子中使用的解碼器：74LS42 4 Lines to 10 Lines BCD to Decimal Decoder （4線10線BCD譯碼器）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是這樣的：

<img src="https://pic3.zhimg.com/50/v2-6698baf03b1f6bf7d5e027d4090ca48f_hd.jpg" data-rawwidth="428" data-rawheight="414" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="428" data-original="https://pic3.zhimg.com/v2-6698baf03b1f6bf7d5e027d4090ca48f_r.jpg">

可以看到，BCD 輸入端（左邊）輸入后首先連接了非門(mén)（NOT），然后進(jìn)入一個(gè)選擇矩陣，最后通過(guò)三入與非門(mén)（NAND）輸出。

與門(mén)（AND）、或門(mén)（OR）、非門(mén)（NOT）是數(shù)字電路中，最基礎(chǔ)的三種邏輯門(mén)電路。它們的組后構(gòu)建了大量的實(shí)用器件。

關(guān)于三種邏輯門(mén)，它們的特性可以使用真值表來(lái)表示：

<img src="https://pic2.zhimg.com/50/v2-9620ecea93ad929c25f8e95adb4a6138_hd.jpg" data-rawwidth="291" data-rawheight="231" class="content_image" width="291">

（1 代表真，0 代表假）

與門(mén)：所有輸入全為真，輸出為真；

或門(mén)：任意一個(gè)輸入為真，則輸出真；

非門(mén)：輸出總是輸入的反。

利用這三個(gè)門(mén)就可以做很多有趣的事情了。

你需要理解歐姆定律，理解電阻、電容、二極管、三極管/場(chǎng)效應(yīng)管，理解與或非門(mén)電路，組合邏輯電路，時(shí)序邏輯電路，理解CPU和指令集，機(jī)器代碼。

到了這一步，你就知道機(jī)器代碼的一堆01010010011011是怎么通過(guò)控制單元，邏輯運(yùn)算單元，寄存器，以及底下的加法器，編碼器，譯碼器，多路選擇器通過(guò)高電平低電平的脈沖跑起來(lái)的。

你還要理解匯編器，理解編譯器和連接器，理解其中的詞法分析，語(yǔ)法分析，代碼生成，你需要理解操作系統(tǒng)。

到了這一步你就能明白電腦怎么講你用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器代碼的一堆01010010011011并提交給計(jì)算機(jī)執(zhí)行的了。

涵蓋這些知識(shí)的就是電路分析，模擬電路，邏輯電路，單片機(jī)，計(jì)算機(jī)組成原理，離散數(shù)學(xué)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，編譯原理，操作系統(tǒng)這些計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的課程。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的电脑怎样执行编程语言的？的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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