计算机组成原理系列 程序是如何执行的（下）

Posted 2021-07-11 猿猿HHH

程序的执行过程

当 CPU 执行程序的时候：

1.首先，CPU 读取 PC 指针指向的指令，将它导入指令寄存器。具体来说，完成读取指令这件事情有 3 个步骤：

步骤 1：CPU 的控制单元操作地址总线指定需要访问的内存地址（简单理解，就是把 PC 指针中的值拷贝到地址总线中）。

步骤 2：CPU 通知内存设备准备数据（内存设备准备好了，就通过数据总线将数据传送给 CPU）。

步骤 3：CPU 收到内存传来的数据后，将这个数据存入指令寄存器。

完成以上 3 步，CPU 成功读取了 PC 指针指向指令，存入了指令寄存器。

2.然后，CPU 分析指令寄存器中的指令，确定指令的类型和参数。
3.如果是计算类型的指令，那么就交给逻辑运算单元计算；如果是存储类型的指令，那么由控制单元执行。
4.PC 指针自增，并准备获取下一条指令。

比如在 32 位的机器上，指令是 32 位 4 个字节，需要 4 个内存地址存储，因此 PC 指针会自增 4。

详解 a = 11 + 15 的执行过程

上面我们了解了基本的程序执行过程，接下来我们来看看如果用冯诺依曼模型执行a=11+15是一个怎样的过程。

我们再 Review 下这个问题：程序员写的程序a=11+15是字符串，CPU 不能执行字符串，只能执行指令。所以这里需要用到一种特殊的程序——编译器。编译器的核心能力是翻译，它把一种程序翻译成另一种程序语言。

这里，我们需要编译器将程序员写的程序翻译成 CPU 认识的指令（指令我们认为是一种低级语言，我们平时书写的是高级语言）。你可以先跟我完整地学完操作系统，再去深入了解编译原理的内容。

下面我们来详细阐述 a=11+15 的执行过程：

1.编译器通过分析，发现 11 和 15 是数据，因此编译好的程序启动时，会在内存中开辟出一个专门的区域存这样的常数，这个专门用来存储常数的区域，就是数据段，如下图所示：

• 11 被存储到了地址 0x100；

• 15 被存储到了地址 0x104；

• 
  2.编译器将a=11+15转换成了 4 条指令，程序启动后，这些指令被导入了一个专门用来存储指令的区域，也就是正文段。如上图所示，这 4 条指令被存储到了 0x200-0x20c 的区域中：

0x200 位置的 load 指令将地址 0x100 中的数据 11 导入寄存器 R0；

0x204 位置的 load 指令将地址 0x104 中的数据 15 导入寄存器 R1；

0x208 位置的 add 指令将寄存器 R0 和 R1 中的值相加，存入寄存器 R2；

0x20c 位置的 store 指令将寄存器 R2 中的值存回数据区域中的 0x1108 位置。

3.具体执行的时候，PC 指针先指向 0x200 位置，然后依次执行这 4 条指令。

这里还有几个问题要说明一下：

• 变量 a 实际上是内存中的一个地址，a 是给程序员的助记符。

• 为什么 0x200 中代表加载数据到寄存器的指令是 0x8c000100，我们会在下面详细讨论。

• 在上面的例子中，我们每次操作 4 个地址，也就是 32 位，这是因为我们在用 32 位宽的 CPU 举例。在 32 位宽的 CPU 中，指令也是 32 位的。但是数据可以小于 32 位，比如可以加和两个 8 位的字节。

• 关于数据段和正文段的内容，会在模块四进程和线程部分继续讲解。

指令

我们来看一条求加法运算的 add 指令，16 进制表示是 0x08048000，换算成二进制就是：

• 最左边的 6 位是指令编码，代表指令 add；

• 紧接着的 4 位 0000 代表寄存器 R0；

• 然后再接着的 4 位 0001 代表寄存器 R1；

• 再接着的 4 位 0010 代表寄存器 R2；

• 最后剩下的 14 位没有被使用。

构造指令的过程，叫作指令的编码，通常由编译器完成；解析指令的过程，叫作指令的解码，由 CPU 完成。由此可见 CPU 内部有一个循环：

1.首先 CPU 通过 PC 指针读取对应内存地址的指令，我们将这个步骤叫作 Fetch，就是获取的意思。

2.CPU 对指令进行解码，我们将这个部分叫作 Decode。

3.CPU 执行指令，我们将这个部分叫作 Execution。

4.CPU 将结果存回寄存器或者将寄存器存入内存，我们将这个步骤叫作 Store。

上面 4 个步骤，我们叫作 CPU 的指令周期。CPU 的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。

指令的类型

通过上面的例子，你会发现不同类型（不同 OpCode）的指令、参数个数、每个参数的位宽，都不一样。而参数可以是以下这三种类型：

1.寄存器；

2.内存地址；

3.数值（一般是整数和浮点）。

当然，无论是寄存器、内存地址还是数值，它们都是数字。

指令从功能角度来划分，大概有以下 5 类：

1.I/O 类型的指令，比如处理和内存间数据交换的指令 store/load 等；再比如将一个内存地址的数据转移到另一个内存地址的 mov 指令。

2.计算类型的指令，最多只能处理两个寄存器，比如加减乘除、位运算、比较大小等。

3.跳转类型的指令，用处就是修改 PC 指针。比如编程中大家经常会遇到需要条件判断+跳转的逻辑，比如 if-else，swtich-case、函数调用等。

4.信号类型的指令，比如发送中断的指令 trap。

5.闲置 CPU 的指令 nop，一般 CPU 都有这样一条指令，执行后 CPU 会空转一个周期。

指令还有一个分法，就是寻址模式，比如同样是求和指令，可能会有 2 个版本：

1.将两个寄存器的值相加的 add 指令。

2.将一个寄存器和一个整数相加的 addi 指令。

另外，同样是加载内存中的数据到寄存器的 load 指令也有不同的寻址模式：

1.比如直接加载一个内存地址中的数据到寄存器的指令la，叫作直接寻址。

2.直接将一个数值导入寄存器的指令li，叫作寄存器寻址。

3.将一个寄存器中的数值作为地址，然后再去加载这个地址中数据的指令lw，叫作间接寻址。

因此寻址模式是从指令如何获取数据的角度，对指令的一种分类，目的是给编写指令的人更多选择。

了解了指令的类型后，我再强调几个细节问题：

不同 CPU 的指令和寄存器名称都不一样。

有几个寄存器在所有 CPU 里名字都一样，比如 PC 指针、指令寄存器等。

指令的执行速度

之前我们提到过 CPU 是用石英晶体产生的脉冲转化为时钟信号驱动的，每一次时钟信号高低电平的转换就是一个周期，我们称为时钟周期。CPU 的主频，说的就是时钟信号的频率。比如一个 1GHz 的 CPU，说的是时钟信号的频率是 1G。

到这里你可能会有疑问：是不是每个时钟周期都可以执行一条指令？其实，不是的，多数指令不能在一个时钟周期完成，通常需要 2 个、4 个、6 个时钟周期。