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计算机速成课Crash Course - 08. 指令和程序 08. 指令和程序
上集我们把 ALU, 控制单元, RAM, 时钟…今天开始计算机速成课Crash Course的系列讲解。
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计算机速成课Crash Course - 08. 指令和程序 08. 指令和程序
上集我们把 ALU, 控制单元, RAM, 时钟结合在一起,做了个基本可用的中央处理单元, 简称 CPU。
它是计算机的核心我们已经用电路做了很多组件。这次我们给 CPU 一些指令来运行! CPU 之所以强大是因为它是可编程的如果写入不同指令就会执行不同任务。
CPU 是一块硬件可以被软件控制!
我们重新看一下上集的简单程序内存里有这些值每个地址可以存 8 位数据。因为我们的 CPU 是假设的这里前4位是操作码后4位指定一个内存地址或寄存器。 内存地址 0 是 0010 1110前 4 位代表 LOAD_A 指令意思是把后 4 位指定的内存地址的值放入寄存器 A。后 4 位是 1110十进制的 14就是说8位的数据 0010 1110 看成 LOAD_A 14 指令。 这样更好理解也更方便说清楚。
可以对内存里剩下的数也这样转换我们的程序只有4个指令还有数字 3 和 14。 现在一步步看
LOAD_A 14 是从地址 14 中拿到数字3放入寄存器A
LOAD_B 15 是从地址 15 中拿到数字14放入寄存器B
好挺简单的
下一个是 ADD 指令ADD B A 告诉 ALU把寄存器 B 和寄存器 A 里的数字加起来B和A的顺序很重要因为结果会存在第二个寄存器。也就是寄存器 A。 最后一条指令是 STORE_A 13把寄存器 A 的值存入内存地址 13。
好棒我们把 2 个数加在了一起!
毕竟只有4个指令也只能做这个了加多一些指令吧! SUB 是减法和 ADD 一样也要 2 个寄存器来操作。
还有 JUMP跳转让程序跳转到新位置。如果想改变指令顺序或跳过一些指令这个很实用。举例JUMP 0 可以跳回开头。
JUMP 在底层的实现方式是把指令后 4 位代表的内存地址的值覆盖掉 指令地址寄存器 里的值。
还有一个特别版的 JUMP 叫 JUMP_NEGATIVE它只在 ALU 的 负数标志 为真时进行 JUMP。
第5集讲过算术结果为负负数标志才是真结果不是负数时负数标志为假。如果是假JUMP_NEGATIVE 就不会执行程序照常进行。 最后计算机还需要知道什么时候该停下来所以有HALT指令停止功能。
我们之前的例子程序其实应该最后到HALT指令停止才能正确工作。否则跑完 STORE_A 13之后CPU 会不停运行下去处理后面的 0因为 0 不是操作码所以电脑会崩掉!
还要指出一点指令和数据都是存在同一个内存里的。它们在根本层面上毫无区别都是二进制数。
HALT 很重要能区分指令和数据。
好现在用 JUMP 让程序更有趣一些我们还把内存中 3 和 14 两个数字改成 1 和 1。
现在来从 CPU 的视角走一遍程序。
首先 LOAD_A 14把 1 存入寄存器A因为地址 14 里的值是 1
然后 LOAD_B 15把 1 存入寄存器B因为地址 15 里的值也是 1
然后 ADD B A 把寄存器 B 和 A 相加结果放到寄存器 A 里。
现在寄存器 A 的值是 2 (当然是以二进制存的
然后 STORE_A 13 指令把寄存器 A 的值存入内存地址 13
现在遇到 JUMP 2 指令
CPU 会把指令地址寄存器的值现在是 4改成 2
因此下一步不再是 HALT而是读内存地址 2 里的指令也就是 ADD B A。 我们跳转了!
寄存器 A 里是 2寄存器 B 里是 1123寄存器 A 变成 3存入内存。
又碰到 JUMP 2又回到 ADD B A。134现在寄存器 A 是 4发现了吗
每次循环都1不断增多但没法结束啊永远不会碰到 HALT。总是会碰到 JUMP。
这叫无限循环这个程序会永远跑下去.. 下去..
为了停下来我们需要有条件的 JUMP只有特定条件满足了才执行 JUMP。
比如 JUMP NEGATIVE 就是条件跳转的一个例子还有其他类型的条件跳转比如JUMP IF EQUAL如果相等JUMP IF GREATER如果更大。
现在把代码弄花哨一点再过一遍代码。就像之前程序先把内存值放入寄存器 A 和 B。
寄存器 A 是 11寄存器 B 是 5SUB B A用 A 减 B11-566 存入寄存器 A。
JUMP NEGATIVE 出场上一次 ALU 运算的结果是 6是正数所以 负数标志 是假因此处理器不会执行 JUMP继续下一条指令。 JUMP 2 没有条件直接执行又回到寄存器 A-B6-51A 变成 1下一条指令。
又是 JUMP NEGATIVE因为 1 还是正数因此 JUMP NEGATIVE 不会执行来到下一条指令JUMP 2又来减一次。
这次就不一样了。
1-5-4这次ALU的 负数标志 是真现在下一条指令。 JUMP NEGATIVE 5, CPU 的执行跳到内存地址 5跳出了无限循环
现在的指令是 ADD B A-4511 存入寄存器 A。下一条指令STORE_A 13把 A 的值存入内存地址 13最后碰到 HALT 指令停下来。
虽然程序只有 7 个指令但 CPU 执行了 13 个指令因为在内部循环了 2 次。
这些代码其实是算余数的11除以5余1如果加多几行指令我们还可以跟踪循环了多少次11除5循环2次余1。
当然我们可以用任意2个数7和8118和54什么都行这就是软件的强大之处软件还让我们做到硬件做不到的事。
ALU 可没有除法功能是程序给了我们这个功能。别的程序也可以用我们的除法程序来做其他事情。
这意味着一层新抽象
我们这里假设的 CPU 很基础所有指令都是 8 位操作码只占了前面 4 位即便用尽 4 位也只能代表 16 个指令而且我们有几条指令是用后 4 位来指定内存地址。
因为 4 位最多只能表示 16 个值所以我们只能操作 16 个地址这可不多我们甚至不能 JUMP 17因为 4 位二进制无法表示数字 17。
因此真正的现代 CPU 用两种策略最直接的方法是用更多位来代表指令比如 32 位或 64 位这叫“指令长度”。
毫不意外第二个策略是 可变指令长度。
举个例子比如某个 CPU 用 8 位长度的操作码如果看到 HALT 指令HALT 不需要额外数据那么会马上执行。
如果看到 JUMP它得知道位置值这个值在 JUMP 的后面这叫 立即值这样设计指令可以是任意长度但会让读取阶段复杂一点点。
要说明的是我们拿来举例的 CPU 和指令集都是假设的是为了展示核心原理。我们现在来看个真的 CPU 例子。
1971年英特尔发布了 4004 处理器这是第一次把 CPU 做成一个芯片给后来的英特尔处理器打下了基础。它支持 46 个指令足够做一台能用的电脑它用了很多我们说过的指令比如 JUMP ADD SUB LOAD它也用 8 位的立即值来执行 JUMP, 以表示更多内存地址。 处理器从 1971 年到现在发展巨大现代 CPU比如英特尔酷睿 i7有上千个指令和指令变种长度从1到15个字节。
举例光 ADD 指令就有很多变种指令越来越多是因为给 CPU 设计了越来越多功能。
下集我们会讲 以上内容就是 08. 指令和程序 的内容感兴趣的同学记得点赞、关注、转发、收藏哦
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