要想清楚的了解程序的執(zhí)行過程就要先知道計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2. 圖靈和圖靈機(jī)

阿蘭·圖靈于1912年出生于英國，擅長數(shù)理邏輯學(xué)和計(jì)算理論。

阿蘭.圖靈

圖靈機(jī)是阿蘭·圖靈在24歲時(shí)提出的，發(fā)表在論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》。圖靈的基本思想是用機(jī)器來模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程，而且還定義了計(jì)算機(jī)由哪些部分組成，程序又是如何執(zhí)行的。

圖靈機(jī)長什么樣子呢？示意圖如下：

基本組成部分：

 

• 「紙帶」：紙帶由一個(gè)個(gè)連續(xù)的格子組成，每個(gè)格子可以寫入字符，紙帶就好比內(nèi)存，而紙帶上的格子的字符就好比內(nèi)存中的數(shù)據(jù)或程序；
• 「讀寫頭」：讀寫頭可以順序讀取紙帶上格子的字符，也可以把字符寫入到紙帶的格子；
• 讀寫頭部件：如存儲(chǔ)單元、控制單元以及運(yùn)算單元：1、存儲(chǔ)單元用于存放數(shù)據(jù)；2、控制單元用于識(shí)別字符是數(shù)據(jù)還是指令，以及控制程序的流程等；3、運(yùn)算單元用于執(zhí)行運(yùn)算指令；

 

圖靈機(jī)只是一個(gè)抽象的模型，這個(gè)理想的模型是好，但是理想終歸是理想，想要成為現(xiàn)實(shí)，我們得想其它辦法。于是在此基礎(chǔ)上，馮洛伊曼提出了電子計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制數(shù)制系統(tǒng)和儲(chǔ)存程序，并按照程序順序執(zhí)行，即馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

3. 馮諾依曼模型

在 1945 年馮諾依曼和其他計(jì)算機(jī)科學(xué)家們提出了計(jì)算機(jī)具體實(shí)現(xiàn)的報(bào)告，其遵循了圖靈機(jī)的設(shè)計(jì)，而且還提出用電子元件構(gòu)造計(jì)算機(jī)，并約定了用二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)。

根據(jù)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)，必須具有如下功能：

· 把程序和數(shù)據(jù)裝入到計(jì)算機(jī)中；

· 必須具有長期記住程序、數(shù)據(jù)的中間結(jié)果及最終運(yùn)算結(jié)果；

· 完成各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理；

· 根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機(jī)器的各部件協(xié)調(diào)操作；

· 能夠按照要求將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示給用戶。

為了完成上述的功能，計(jì)算機(jī)必須具備五大基本組成部件：

· 裝載數(shù)據(jù)和程序的輸入設(shè)備；

· 記住程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器；

· 完成數(shù)據(jù)加工處理的運(yùn)算器；

· 控制程序執(zhí)行的控制器；

· 顯示處理結(jié)果的輸出設(shè)備。

因此，定義計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)就需要 5 個(gè)部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備，這 5 個(gè)部分也被稱為馮諾依曼模型。

馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。在該體系結(jié)構(gòu)下，程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)，指令和數(shù)據(jù)需要從同一存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，無法重疊執(zhí)行。根據(jù)馮諾依曼體系，CPU的工作分為以下 5 個(gè)階段：取指令階段、指令譯碼階段、執(zhí)行指令階段、訪存取數(shù)和結(jié)果寫回。

· 取指令（IF，instruction fetch），即將一條指令從主存儲(chǔ)器中取到指令寄存器的過程。程序計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，用來指示當(dāng)前指令在主存中的位置。當(dāng) 一條指令被取出后，程序計(jì)數(shù)器（PC）中的數(shù)值將根據(jù)指令字長度自動(dòng)遞增。

· 指令譯碼階段（ID，instruction decode），取出指令后，指令譯碼器按照預(yù)定的指令格式，對(duì)取回的指令進(jìn)行拆分和解釋，識(shí)別區(qū)分出不同的指令類 別以及各種獲取操作數(shù)的方法。現(xiàn)代CISC處理器會(huì)將拆分已提高并行率和效率。

· 執(zhí)行指令階段（EX，execute），具體實(shí)現(xiàn)指令的功能。CPU的不同部分被連接起來，以執(zhí)行所需的操作。

· 訪存取數(shù)階段（MEM，memory），根據(jù)指令需要訪問主存、讀取操作數(shù)，CPU得到操作數(shù)在主存中的地址，并從主存中讀取該操作數(shù)用于運(yùn)算。部分指令不需要訪問主存，則可以跳過該階段。

· 結(jié)果寫回階段（WB，write back），作為最后一個(gè)階段，結(jié)果寫回階段把執(zhí)行指令階段的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)“寫回”到某種存儲(chǔ)形式。結(jié)果數(shù)據(jù)一般會(huì)被寫到CPU的內(nèi)部寄存器中，以便被后續(xù)的指令快速地存??；許多指令還會(huì)改變程序狀態(tài)字寄存器中標(biāo)志位的狀態(tài)，這些標(biāo)志位標(biāo)識(shí)著不同的操作結(jié)果，可被用來影響程序的動(dòng)作。

在指令執(zhí)行完畢、結(jié)果數(shù)據(jù)寫回之后，若無意外事件（如結(jié)果溢出等）發(fā)生，計(jì)算機(jī)就從程序計(jì)數(shù)器中取得下一條指令地址，開始新一輪的循環(huán)，下一個(gè)指令周期將順序取出下一條指令。 許多復(fù)雜的CPU可以一次提取多個(gè)指令、解碼，并且同時(shí)執(zhí)行。

運(yùn)算器、控制器是在中央處理器里的，存儲(chǔ)器就我們常見的內(nèi)存，輸入輸出設(shè)備則是計(jì)算機(jī)外接的設(shè)備，比如鍵盤就是輸入設(shè)備，顯示器就是輸出設(shè)備。

存儲(chǔ)單元和輸入輸出設(shè)備要與中央處理器打交道的話，離不開總線。所以，它們之間的關(guān)系如下圖：

接下來，分別介紹內(nèi)存、中央處理器、總線、輸入輸出設(shè)備。

3.1. 內(nèi)存

簡稱（RAM）專業(yè)的說內(nèi)存是計(jì)算機(jī)中重要的部件之一，它是與CPU進(jìn)行溝通的橋梁。計(jì)算機(jī)所有的程序都是在內(nèi)存中運(yùn)行的，如果沒有內(nèi)存你的電腦將開不了機(jī)。

在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單位是字節(jié)（byte），1 字節(jié)等于 8 位（8 bit）。每一個(gè)字節(jié)都對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)存地址。

內(nèi)存的地址是從 0 開始編號(hào)的，然后自增排列，最后一個(gè)地址為內(nèi)存總字節(jié)數(shù) - 1，這種結(jié)構(gòu)好似我們程序里的數(shù)組，所以內(nèi)存的讀寫任何一個(gè)數(shù)據(jù)的速度都是一樣的。

RAM的優(yōu)點(diǎn)：是存取速度快、讀寫方便。缺點(diǎn)：是數(shù)據(jù)不能長久保持，斷電后自行消失，因此主要用于計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器等要求快速存儲(chǔ)的系統(tǒng)。按工作方式不同，可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類。

靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)的單元電路是觸發(fā)器，存入的信息在規(guī)定的電源電壓下便不會(huì)改變。SRAM速度快，使用方便。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)的單元由一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)電容和一個(gè)MOS晶體管構(gòu)成，數(shù)據(jù)以電荷形式存放在電容之中，需每隔2～4毫秒對(duì)單元電路存儲(chǔ)信息重寫一次(刷新)。DRAM存儲(chǔ)單元器件數(shù)量少，集成度高，應(yīng)用廣泛。

3.2. 中央處理器

CPU：中央處理器，由運(yùn)算器和控制器組成。計(jì)算機(jī)解決某個(gè)問題時(shí)要為它編寫程序，它告訴計(jì)算機(jī)要執(zhí)行什么操作，在什么地方來找到用來操作的數(shù)據(jù)一旦把程序加載到內(nèi)存儲(chǔ)器，CPU的基本工作是執(zhí)行存儲(chǔ)的指令序列，即程序。程序的執(zhí)行過程實(shí)際上是不斷地取出指令、分析指令、執(zhí)行指令的過程。

CPU從存放程序的主存儲(chǔ)器里取出一條指令，譯碼并執(zhí)行這條指令，保存執(zhí)行結(jié)果，緊接著又去取指令，譯碼，執(zhí)行指令……，如此周而復(fù)始，反復(fù)循環(huán)，使得計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地工作。除非遇到停機(jī)指令，否則這個(gè)循環(huán)將一直進(jìn)行下去。其過程如圖所示

CPU 中的寄存器主要作用是存儲(chǔ)計(jì)算時(shí)的數(shù)據(jù)，你可能好奇為什么有了內(nèi)存還需要寄存器？原因很簡單，因?yàn)閮?nèi)存離 CPU 太遠(yuǎn)了，而寄存器就在 CPU 里，還緊挨著控制單元和邏輯運(yùn)算單元，自然計(jì)算時(shí)速度會(huì)很快。

常見的寄存器種類：

 

• 通用寄存器，用來存放需要進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)，比如需要進(jìn)行加和運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)據(jù)。
• 程序計(jì)數(shù)器，用來存儲(chǔ) CPU 要執(zhí)行下一條指令「所在的內(nèi)存地址」，注意不是存儲(chǔ)了下一條要執(zhí)行的指令，此時(shí)指令還在內(nèi)存中，程序計(jì)數(shù)器只是存儲(chǔ)了下一條指令「的地址」。
• 指令寄存器，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，也就是指令本身，指令被執(zhí)行完成之前，指令都存儲(chǔ)在這里。

3.3. 總線

 

總線（Bus），是指計(jì)算機(jī)設(shè)備和設(shè)備之間傳輸信息的公共數(shù)據(jù)通道。在城市中，車輛通行需要道路，需要交通。在計(jì)算機(jī)中，同樣需要在各部件之間傳輸信息的通路，信息通過電線束從一個(gè)計(jì)算機(jī)部件到另一個(gè)部件，就稱作總線，它是一種信號(hào)傳遞的布線方式?？偩€是用于 CPU 和內(nèi)存以及其他設(shè)備之間的通信，總線按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以有不同的分類。按照傳遞的數(shù)據(jù)分可分為 3 種：

 

• 地址總線，用于指定 CPU 將要操作的內(nèi)存地址；
• 數(shù)據(jù)總線，用于讀寫內(nèi)存的數(shù)據(jù)；
• 控制總線，用于發(fā)送和接收信號(hào)，比如中斷、設(shè)備復(fù)位等信號(hào)，CPU 收到信號(hào)后自然進(jìn)行響應(yīng)，這時(shí)也需要控制總線；

 

當(dāng) CPU 要讀寫內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)候，一般需要通過下面這三個(gè)總線：

 

• 首先要通過「地址總線」來指定內(nèi)存的地址；
• 然后通過「控制總線」控制是讀或?qū)懨睿?/li>
• 最后通過「數(shù)據(jù)總線」來傳輸數(shù)據(jù)；

 

按照在計(jì)算機(jī)所在區(qū)域分：內(nèi)部總線，系統(tǒng)總線，外部總線。按實(shí)現(xiàn)方式分：并行總線，串行總線。

3.4. 輸入、輸出設(shè)備

輸入輸出設(shè)備（IO設(shè)備），是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵外部設(shè)備之一，可以和計(jì)算機(jī)本體進(jìn)行交互使用。輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算后，把數(shù)據(jù)輸出給輸出設(shè)備。期間，如果輸入設(shè)備是鍵盤，按下按鍵時(shí)是需要和 CPU 進(jìn)行交互的，這時(shí)就需要用到控制總線了。

4. 線路位寬與 CPU 位寬

我們經(jīng)常聽到32位或64位計(jì)算機(jī)，32 位和 64 位 CPU 最主要區(qū)別在于一次能計(jì)算多少字節(jié)數(shù)據(jù)：

 

• 32 位 CPU 一次可以計(jì)算 4 個(gè)字節(jié)；
• 64 位 CPU 一次可以計(jì)算 8 個(gè)字節(jié)；

 

這里的 32 位和 64 位，通常稱為 CPU 的位寬。

線路位寬：數(shù)據(jù)是如何通過線路傳輸?shù)哪?？其?shí)是通過操作電壓，低電壓表示 0，高壓電壓則表示 1。為了避免低效率的串行傳輸?shù)姆绞剑?strong>線路的位寬最好一次就能訪問到所有的內(nèi)存地址。

CPU 要操作的內(nèi)存地址空間就需要相應(yīng)的地址總線：

 

• 如果地址總線只有 1 條，那每次只能表示 「0 或 1」這兩種地址，所以 CPU 能操作的內(nèi)存地址最大數(shù)量為 2（2^1）個(gè)（注意，不要理解成同時(shí)能操作 2 個(gè)內(nèi)存地址）；
• 如果地址總線有 2 條，那么能表示 00、01、10、11 這四種地址，所以 CPU 能操作的內(nèi)存地址最大數(shù)量為 4（2^2）個(gè)。

 

那么，想要 CPU 操作 4G 大的內(nèi)存，那么就需要 32 條地址總線，因?yàn)?2 ^ 32 = 4G。

CPU 位寬：CPU 的位寬最好等于線路位寬，比如 32 位 CPU 控制 40 位寬的地址總線和數(shù)據(jù)總線的話，處理比較麻煩。所以 32 位的 CPU 最好和 32 位寬的線路搭配，64 位的 CPU 最好和 64 位寬的線路搭配。但是并不代表 64 位 CPU 性能比 32 位 CPU 高很多，很少應(yīng)用需要算超過 32 位的數(shù)字，所以如果計(jì)算的數(shù)額不超過 32 位數(shù)字的情況下，32 位和 64 位 CPU 之間沒什么區(qū)別的，只有當(dāng)計(jì)算超過 32 位數(shù)字的情況下，64 位的優(yōu)勢才能體現(xiàn)出來。另外，32 位 CPU 最大只能操作 4GB 內(nèi)存，就算你裝了 8 GB 內(nèi)存條，也沒用實(shí)質(zhì)的作用。而 64 位 CPU 尋址范圍則很大，理論最大的尋址空間為 2^64。

5. 一個(gè)程序的生與死

程序?qū)嶋H上就是把我們現(xiàn)實(shí)中的一個(gè)生活場景，通過計(jì)算機(jī)的編程語言搬到電腦中的一種實(shí)現(xiàn)方式罷了。

程序?qū)嶋H上是一條一條指令，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令的就是 CPU 了。一個(gè)程序執(zhí)行的時(shí)候，CPU 會(huì)根據(jù)程序計(jì)數(shù)器里的內(nèi)存地址，從內(nèi)存里面把需要執(zhí)行的指令讀取到指令寄存器里面執(zhí)行，然后根據(jù)指令長度自增，開始順序讀取下一條指令。

現(xiàn)代大多數(shù) CPU 都使用來流水線的方式來執(zhí)行指令，所謂的流水線就是把一個(gè)任務(wù)拆分成多個(gè)小任務(wù)，于是一條指令通常分為 4 個(gè)階段，稱為 4 級(jí)流水線，如下圖：

四個(gè)階段的具體含義：取得指令，指令譯碼，執(zhí)行指令，數(shù)據(jù)回寫。上面這 4 個(gè)階段，我們稱為指令周期（Instrution Cycle），CPU 的工作就是一個(gè)周期接著一個(gè)周期，周而復(fù)始。

每個(gè)CPU都有一套自己可以執(zhí)行的專門的指令集。接下來我們選用最簡單的 MIPS 指集，來看看機(jī)器碼是如何生成的。MIPS 的指令是一個(gè) 32 位的整數(shù)，高 6 位代表著操作碼，表示指令類型，剩下的 26 位根據(jù)不同指令類型所表示的內(nèi)容也就不相同，總結(jié)下來主要有三種類型R、I 和 J。

具體含義：

 

• R 指令：用在算術(shù)和邏輯操作，里面有讀取和寫入數(shù)據(jù)的寄存器地址。如果是邏輯位移操作，后面還有位移操作的「位移量」，而最后的「功能碼」則是再前面的操作碼不夠的時(shí)候，擴(kuò)展操作碼來表示對(duì)應(yīng)的具體指令的；
• I 指令：用在數(shù)據(jù)傳輸、條件分支等。這個(gè)類型的指令，就沒有了位移量和功能碼，也沒有了第三個(gè)寄存器，而是把這三部分直接合并成了一個(gè)地址值或一個(gè)常數(shù)；
• J 指令：用在跳轉(zhuǎn)，高 6 位之外的 26 位都是一個(gè)跳轉(zhuǎn)后的地址；

 

編譯器在編譯程序的時(shí)候，會(huì)構(gòu)造指令，這個(gè)過程叫做指令的編碼。CPU 執(zhí)行程序的時(shí)候，就會(huì)解析指令，這個(gè)過程叫作指令的解碼。

CPU需要使用一個(gè)叫做存儲(chǔ)器(也就是各種寄存器)的東西保存輸入和輸出數(shù)據(jù)。以下是幾種常見的寄存器

· MAR: memory address register，保存將要被訪問數(shù)據(jù)在內(nèi)存中哪個(gè)地址處，保存的是地址值

· MDR: memory data register，保存從內(nèi)存讀取進(jìn)來的數(shù)據(jù)或?qū)⒁獙懭雰?nèi)存的數(shù)據(jù)，保存的是數(shù)據(jù)值

· AC: Accumulator，保存算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的中間結(jié)果，保存的是數(shù)據(jù)值

· PC: Program Counter，保存下一個(gè)將要被執(zhí)行指令的地址，保存的是地址值

· CIR: current instruction register，保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令

關(guān)于CPU上的高速緩存

 

• 最高速的緩存是CPU的寄存器，它們和CPU的材料相同，最靠近CPU或最接近CPU，訪問它們沒有時(shí)延(<1ns)。但容量很小，小于1kb。32bit：32*32比特=128字節(jié)，64bit：64*64比特=512字節(jié)
• 寄存器之下，是CPU的高速緩存。分為L1緩存、L2緩存、L3緩存，每層速度按數(shù)量級(jí)遞減、容量也越來越大

 

指令的類型

指令從功能角度分為 5 大類：

 

• 數(shù)據(jù)傳輸：比如 store/load 是寄存器與內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噶?，mov 是將一個(gè)內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)移動(dòng)到另一個(gè)內(nèi)存地址的指令；
• 運(yùn)算類型：比如加減乘除、位運(yùn)算、比較大小等等，它們是二元運(yùn)算；
• 跳轉(zhuǎn)類型：通過修改程序計(jì)數(shù)器的值來達(dá)到跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令的過程，比如編程中常見的 if-else、switch-case、goto函數(shù)調(diào)用等。
• 信號(hào)類型：比如發(fā)生中斷的指令 trap；
• 閑置類型：比如指令 nop，執(zhí)行后 CPU 會(huì)空轉(zhuǎn)一個(gè)周期；

 

指令的執(zhí)行速度

CPU 的硬件參數(shù)都會(huì)有 GHz 這個(gè)參數(shù)，比 1 GHz 的 CPU指的是時(shí)鐘頻率是 1 G，代表著 1 秒會(huì)產(chǎn)生 1G 次數(shù)的脈沖信號(hào)，每一次脈沖信號(hào)高低電平的轉(zhuǎn)換就是一個(gè)周期，稱為時(shí)鐘周期。

對(duì)于 CPU 來說，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU完成一個(gè)指令時(shí)鐘頻率越高，時(shí)鐘周期就越短，工作速度也就越快。

一個(gè)時(shí)鐘周期一定能執(zhí)行完一條指令嗎？答案是不一定的，大多數(shù)指令不能在一個(gè)時(shí)鐘周期完成，通常需要若干個(gè)時(shí)鐘周期。不同的指令需要的時(shí)鐘周期是不同的，加法和乘法都對(duì)應(yīng)著一條 CPU 指令，但是乘法需要的時(shí)鐘周期就要比加法多。

程序執(zhí)行耗費(fèi)的 CPU 時(shí)間少就說明程序執(zhí)行的快。對(duì)于程序的 CPU 執(zhí)行時(shí)間，我們可以拆解成 CPU 時(shí)鐘周期數(shù)（CPU Cycles）和時(shí)鐘周期時(shí)間（Clock Cycle Time）的乘積。

時(shí)鐘周期時(shí)間就是 CPU 主頻，主頻越高說明 CPU 的工作速度就越快，比如電腦的 CPU 是 2.4 GHz 四核 Intel Core i5，這里的 2.4 GHz 就是電腦的主頻，時(shí)鐘周期時(shí)間就是 1/2.4G。

要想 CPU 跑的更快，自然縮短時(shí)鐘周期時(shí)間，對(duì)于 CPU 時(shí)鐘周期數(shù)我們可以進(jìn)一步拆解成：「指令數(shù) x 每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)（Cycles Per Instruction，簡稱 CPI）」，于是程序的 CPU 執(zhí)行時(shí)間的公式可變成如下：

因此，要想程序跑的更快，優(yōu)化這三者即可：

 

• 指令數(shù)，表示執(zhí)行程序所需要多少條指令，以及哪些指令。這個(gè)依賴編譯器的優(yōu)化。
• 每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù) CPI，表示一條指令需要多少個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，現(xiàn)代大多數(shù) CPU 通過流水線技術(shù)（Pipeline），讓一條指令需要的 CPU 時(shí)鐘周期數(shù)盡可能的少；
• 時(shí)鐘周期時(shí)間，表示計(jì)算機(jī)主頻，取決于計(jì)算機(jī)硬件。

 

當(dāng)我們輸入以下程序，編譯運(yùn)行，計(jì)算機(jī)從屏幕輸出Hello，World！整個(gè)過程計(jì)算機(jī)都怎么運(yùn)作的呢？

計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的是0和1，計(jì)算機(jī)通過位信息以及上下文來解讀這些0、1信息的。Hellow，World是由0和1組成的序列，將這些程序代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的文本字符，每8位表示一個(gè)字節(jié)，用來存儲(chǔ)一個(gè)字符。

Hello，World的ASCII碼表示

因?yàn)槲覀冚斎氲腍ello，World是人可以閱讀和編寫的，但是機(jī)器并不能直接識(shí)別，它需要把這些文字翻譯成機(jī)器可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，這一部分的工作是由編譯系統(tǒng)完成的。編譯系統(tǒng)由預(yù)處理器、編譯器、匯編器、連接器四部分組成。以hello， world程序?yàn)槔?，各部分共同完成將源文件編譯成二進(jìn)制可執(zhí)行文件。各個(gè)部分完成的具體工作如下：

 

• 預(yù)處理器：根據(jù)以#開頭的命令，將包含的頭文件加載進(jìn)入源程序源程序。預(yù)處理器是一個(gè)文本處理程序，它在程序編譯的第一個(gè)階段處理源代碼的文本。當(dāng)然預(yù)處理器不只是編譯之前才被調(diào)用處理源代碼，它也可以被其他程序單獨(dú)的調(diào)用以實(shí)現(xiàn)文本的處理。
• 編譯器：將預(yù)處理后的.i文件轉(zhuǎn)換成匯編程序。編譯器將不同的高級(jí)語言（如c語言，C++語言）轉(zhuǎn)換成嚴(yán)格一致的匯編語言格式進(jìn)行輸出。匯編語言以標(biāo)準(zhǔn)的文本格式確切的描述每機(jī)器語言指令。編譯器得到的文件通常以.s為后綴保存。
• 匯編器：將匯編語言（.s文件）翻譯成機(jī)器語言指令，并將這些指令打包成一種可定位目標(biāo)程序格式。匯編后得到的文件即為二進(jìn)制文件，通常以.o為后綴。
• 鏈接器：Hello， World程序中調(diào)用過printf函數(shù)，它是一個(gè)c標(biāo)準(zhǔn)庫里的函數(shù)。Printf函數(shù)存放在一個(gè)名為printf.o的單獨(dú)預(yù)編譯的文件中。而這個(gè)文件必須以適當(dāng)?shù)姆绞讲⑷氲轿覀兊某绦蛑?，這個(gè)工作由鏈接器完成。將外部的.o文件并入后，得到一個(gè)完整的hello， world可執(zhí)行文件。可執(zhí)行文件加載到存儲(chǔ)器后，由系統(tǒng)復(fù)制執(zhí)行。

 

程序加載進(jìn)入CPU的過程

Shell：命令行解釋器。當(dāng)用戶輸入一行命令后，shell先判斷它是不是一個(gè)shell內(nèi)置命令；如果不是，shell會(huì)假定為一個(gè)可執(zhí)行文件的名字，直接去加載并執(zhí)行該文件。因此，當(dāng)我們通過編譯系統(tǒng)將源文件編譯成可執(zhí)行二進(jìn)制文件后，在shell中輸入我們得到的可執(zhí)行二進(jìn)制文件名，shell將其從磁盤中加載到主存當(dāng)中，通過CPU進(jìn)行解釋運(yùn)行，最終通過終端設(shè)備（屏幕）將他顯示出來，程序運(yùn)行結(jié)束。

主內(nèi)存對(duì)指令的處理分為多級(jí)緩存，其中比較重要的就是各類寄存器。寄存器是中央處理器內(nèi)主要組成結(jié)構(gòu)成分，它是CPU當(dāng)中有限存貯容量的高速存貯部件，它在工作時(shí)能將計(jì)算機(jī)指令數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時(shí)的存儲(chǔ)。

內(nèi)存地址=基質(zhì)+變址

CPU中的主要寄存器：

 

• 累加寄存器（AC） ：主要進(jìn)行加法運(yùn)算。
• 標(biāo)志寄存器（PSW） ：記錄狀態(tài)，做邏輯運(yùn)算。
• 程序計(jì)數(shù)器（PC） ：是用于存放下一條指令所在單元的地址的地方。
• 基質(zhì)寄存器（BX） ：儲(chǔ)存當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)存開始的位置。
• 變址寄存器 ：儲(chǔ)存基質(zhì)寄存器的相對(duì)位置。
• 通用寄存器（GPRs） ：支持有所的用法。
• 指令寄存器（IR） ：CPU專用，儲(chǔ)存指令。
• 堆棧寄存器（SP） ：記錄堆棧的起始位置。

 

處理器讀取并解釋存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的指令處理器的操作主要是圍繞程序計(jì)數(shù)器、算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元、主存來進(jìn)行運(yùn)作的。處理器首先從PC所指向的主存存儲(chǔ)單元讀取指令，解釋指令中的位，執(zhí)行該指令指示的簡單操作，然后更新PC寄存器，使其指向下一條要執(zhí)行的指令。CPU會(huì)執(zhí)行的操作有：

加載：把一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字從主存復(fù)制到寄存器，覆蓋掉寄存器中原來的值。

存儲(chǔ)：把一個(gè)字節(jié)或一個(gè)從寄存器復(fù)制到主存，并覆蓋主存中原來的值。

操作：把兩個(gè)寄存器的內(nèi)容復(fù)制到ALU，ALU對(duì)兩個(gè)字做算術(shù)運(yùn)算后存回其中的一個(gè)寄存器，該寄存器中原來的值會(huì)被覆蓋。

跳轉(zhuǎn)：從cpu執(zhí)行的指令抽取一個(gè)字的內(nèi)容存入PC，覆蓋掉原來的值，從而改變下一條要執(zhí)行的指令，達(dá)到跳轉(zhuǎn)的目的。

Hello，World程序首先被加載，從磁盤中復(fù)制到寄存器中，寄存器將Hello，World程序復(fù)制到主存中進(jìn)行存儲(chǔ)。程序運(yùn)行過程中，CPU執(zhí)行Hellow，World機(jī)器指令，指令的結(jié)果是將”Hellow，World”字符由內(nèi)存復(fù)制到寄存器，寄存器再將結(jié)果復(fù)制到顯示設(shè)備上顯示出來。

下面我們?cè)敿?xì)的給出一個(gè)代碼段在內(nèi)存中的存儲(chǔ)示意圖。