CPU中的程序是怎么运行起来的

 admin   2020-09-15 07:41   11 人阅读  0 条评论
原标题:CPU中的程序是怎么运行起来的

总述

最近一位朋友问我,开发的代码是怎么在芯片运行起来的,我就开始给他介绍代码的预编译、汇编、编译、链接然后到一般的文件属性,再到代码运行。但是大佬问了我一句,CPU到底是怎么执行到每一个逻辑的,就讲了哈CPU的架构。这是时候真的有些迷了,虽然有模电数电的底子,但是自己都说迷糊了,汇编怎么对应到机器码再到怎么执行每一个逻辑。

所以我想了想,我自己也重新学习整理一下,写一篇文章分享给自己也分享给大家。虽然网上也有很多人讲这个过程,我也想用自己的视角去介绍一下。所以我就花了三天时间把《CODE》这本书啃完,然后又看了哈 Crash Course Computer Science的视频,现在终于可以写篇文章了。

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CPU的硬件最小原子

计算机从上世纪四十年代发展到现在有八十多年了,我们现在开发应用以及很少会涉及到底层的部分,硬件设计的电子专业在学校里面会学习模电数电这两门课,今天的第一部分就从这里说起。

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一般我们不考虑物理的硬件底层的实现逻辑,但是为了后续的机器码的介绍,这里开始介绍CPU的基本组成部分

我们都知道现在的CPU是无数的晶体管组成,一块很小的CPU用显微镜观察可以看到上百万个元器件,那么最早电脑是啥样的呢? 感谢 Crash Course Computer Science的视频,下面有很好照片都是从她的视频中截取。以及感谢《CODE》,好多资料也是从此书得来。

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最早的计算机,它有76万5千个组件,300多万个连接点和大约804公里长的用线,这个是真的大,而且它的核心控制还是用继电器实现控制逻辑的。

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此外,它的性能相较于于现在的电脑来说简直微不足道。

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好了言归正传,我们直接介绍现在计算机中的CPU组成,之前用继电器、电子管进行控制计算,这些基本的元器件使得计算机体型庞大,后来半导体的出现,使得计算机的体积大大减小。没有使用半导体的时候,科学家使用继电器等进行控制电路的开关,控制电路电流的高和低,通过布尔代数组合形成我们现在经常说的逻辑门,继而实现数据的控制。

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如上图所以它会出现如下情况

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这其实就是一个简单开关的 与门 ( AND )电路,所有的变量输入是1的时候,输出才为1。相应的还有非门、或门、异或门等。

那么半导体是如何做到的呢?下面所示是三极管变化而成的与门(AND)电路,通过两个三极管连接(三极管的工作原理可以百度一哈),实现逻辑。

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这是非门(NOT),输入1输出位0,输入位、为0输出为1.

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这是或门(OR),只有A、B两个同时输入0的时候,输出才为0,其余都为1.

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这是常用的逻辑门的图形表示以及真值表显示,最后一栏为真值表显示,其中A、B为输入,F为输出。

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基于这些逻辑的组合我们可以变成最小的11位二进制逻辑的加法器,1bit的数据锁存器,再扩展为8位加法器,256M存储器。

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CPU的模块组成过程

讲完了CPU组成的最小原子结构,接下来我们抽象出来了逻辑门进行

首先我们先介绍一下CPU的基本架构

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一块完整可以执行程序CPU功能部件,里面有基本的ALU算数逻辑单元、控制单元、外部储存器(储存数据和程序)。

1970年发布的时候,它是第一个封装在单个芯片内完整的ALU。

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ALU算数逻辑单元)有两个单元: 一个算数单元(加法器),负责计算机里的所有数字操作,例如加减法、增量运算等;一个 逻辑单元,负责 一些简单的数值测试,例如检测ALU输出是否为零的的电路

加法器:

用单个晶体管一个个去拼,把这个电路做出来,到那时会很复杂很难理解。所以我们更高层面的抽象-逻辑门去实现(AND、OR、NOT、XOR)。

下面这是一个1位的加法器:

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二进制数的“和”可以由异或门得到,而“进位”可以由与门得到,所以可以把异或门和与门结合起来来完成两个二进制数 A和B的加法

AB只能输入0或者1,也就是这个加法器能算0+0,1+0或者1+1。

脱离具体的形状,我们可以把以上的一个加法器,抽象为一个符号用来显示:

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然后我们在进行扩展,把八个全加器连接,这样就变成了一个8bit的加法器。每个全加器的进位输出都是下一个全加器的进位输入:

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用一个抽象的框图进行表示,其中输入是A和B标识为从A 0~A 7及B 0~B 7。输出为和输出,标识为从 S 0~S 7

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这样我们就构造了一个简单8位的加法器。

逻辑单元:同样 AND、OR、NOT、XOR的执行,如下图一个简单的判断输出是否为0的电路

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它用一堆OR门检查其中一位是否为1,哪怕只有一个输入的bit(位)为1,但都会被被或门到最后一个NOT(非)门进行取反,所以只有输入的数字是0,输出才能是为1。

告诉ALU执行加减法,下面图片里面的的V代表ALU部分

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通过ALU的FLAGS进行判断,下面有三个标志一个是OVERFLOW(操作超出了总线宽度,设置为true(1))、ZERO(运算结果是否为零)、NEGATIVE(运算结果第一位为1,则设置为true(1),表示为负数)

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这就是ALU中的一些单元,其实也是一大堆逻辑门巧妙连到一起。

此外我们还需要存储器(memory),如果ALU计算出来数据丢掉那么数据也没什么用了,所以需要内存把数据保存起来,与ALU一起组成CPU

之前的介绍都是单向顺序执行的电路,那有什么可以返回的电路呢,通过输出来控制影响输入。

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进行AND 、NOT、OR组合,变成一个1位锁存器

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输入STE为1,输出为1

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输入RESTE为1,输出为0

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如果设置和置位都为0,电路会输出最后放置的状态,所以它就保存住1bit位的数据

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其中这样一个1位的锁存器,放入的动作叫做写,拿出数据的动作叫做读

为了好显示,我们使用再高一级别的抽象层,用下面的框图表示:

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随着芯片锁存器大小的扩展,正常连接需要的线是非常之多,所以引入了矩阵方式:

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为了将地址转化成为行和列 还要用多路复用器,这就是一个基本的SDRAM的组成结构。

SRAM DRAM FLASH NVRAM,大家功能上相似,但是用不同的电路储存单个bit的数据,比如使用不同的逻辑门、电容器、、电荷捕获或者忆阻器。但是根本上,这些技术都是矩阵层层嵌套,来储存大量的信息。

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CPU的代码语言执行以及编程语言的变化过程

通过不同的逻辑门,我们逐渐搭建起了CPU的硬件部分,同时也抽象到了 高层次的“微体系架构”,我们开始告诉CPU的模块进行操作,CPU里面都是101二进制数据,那怎么和CPU执行指令挂上钩呢?

最早执行机器使用就是穿孔卡片,通过穿孔卡片的特殊位置有没有穿孔,决定机器执行的不同步骤。

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在计算机早期,程序员编程必须用机器码写程序,一般会在会在纸上写一个“高层次”的描述——伪代码,例如: 从内存中获取当月销售额,再计算出税费。

首先这个机器码分为前四位和后四位,前四位代表操作码,后四位代表地址。

首先在指令表可以查到 0010 对应着执行指令是LOAD_A 意思为从内存地址取出数据,放到寄存器A中。

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首先CPU有两个执行时候的寄存器:

其次,CPU执行指令有三个阶段: 取指令->解码 -> 执行

取指令:负责把指令从RAM中复制到指令寄存器中

如下所示: CPU把0010 1110放到指令寄存器中

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解码阶段:负责解析复制过来的指令对应到操作码是哪个执行,先解析 0010

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LOAD_A指令的工作:把RAM里面的值放入寄存器A中

再解析后四位1110,为地址14

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接下来通过控制单元进行选择确认是否执行load指令

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当然控制单元也是由逻辑门连接起来的,这个时候需要一个电路,检查操作码是不是LOAD_A对应的0010

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执行阶段:当确认了执行的操作码,我们就开始执行

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从地址1110(10进制14)读取出0000 0011的数据,  因为是LOAD_A指令,我们把该数据放进寄存器A,不操作其他寄存器

本次执行完成,然后我们就把“指令地址寄存器”+1,执行下一条命令,一直重复到代码结束。

如果我们遇到了例如加减运算时候,就可以用到ALU了,数据寄存器把需要进行add的两个数据输入,然后在发送操作码给ALU,ALU开始执行最后输出到暂存的寄存器,关闭ALU,最后再把数据放入正确的寄存器

了执行动作,现代CPU还有时钟控制。很早的计算机都是用人工插拔来进行每一条指令的计算,但是对于现在的CPU执行频率来说,人工是做不到这样的速度,所以现在CPU里面有专门的 时钟进行管理CPU的节奏,来告诉CPU要取指令-解码-执行。 类似于练习乐器时候使用的节拍器一样。

前面介绍程序运行时候我们是假设程序已经在内存里面了,但实际上程序储存的位置不在内存,并且需要在执行时候加载到内存里面。要内存足够,不仅可以储存要运行的程序,还可以存程序需要的数据,以及运行程序时候产生的新数据。

不过早期编程都是专家活,不管是全职还是技术控, 都需要非常了解底层硬件,要懂操作码、寄存器等才能写程序,所以编程很麻烦,哪怕是工程师和科学家都无法完全发挥计算机的能力

汇编器读取用 汇编语言写的程序,然后转成 机器码。LOAD_A 14 是一个典型的汇编代码。

发展到现在,就英特尔的 CPU 酷睿 i7有上千种指令和指令变种,长度从一个字节到 15个字节。

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FORTRAN,是IBM1957年发布的语言,而主持 FORTRAN的项目的总监John Backus说,他只是因为懒,所以就开发了新的语言,是的大部分新程序的开发是因为更高效率的开发,把一个月的开发时间编程一周,在变成一天。

就 FORTRAN 使用效果来说,确实也达到了,平均 FORTRAN写的程序要比同等的汇编写的代码少二十倍。然后 FORTRAN 编译器会把 FORTRAN 代码转为机器码。

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然后陆续新的语言不断产生,60年代有ALGOL、LISP和BASIC等语言;70年代有Pascal、C和Smalltalk;80年代有C++、Objectivs-C和Perl;90年代有Python、Ruby和Java;2000开始出现Swift、C#、Go。未来语言还会越来越多,新的语言用新的平台和新的技术,让我们可以快速的开发使用。

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