程序在 CPU 里到底是怎么跑的

CPU

CPU 和内存，本质上都属于集成电路（Integrated Circuit，IC）。

CPU 内部大致由下面几部分组成：

• 寄存器:用来存放指令、数据这些操作对象的空间
• 控制器:把内存中的指令和数据读进来,并根据指令结果去控制计算机
• 运算器:负责做运算
• 时钟：产生控制 CPU 工作节律的时钟信号

内存，这里通常说的是主存储器。它由可读写的存储元件构成,每个字节都分配了一个编号,这个编号就叫地址。

很多人会把“128G”“256G”这种东西叫内存，但严格来说，那一般说的是存储空间，不叫主存。它通常对应的是硬盘、SSD 这类存储设备。

寄存器

为什么要把寄存器单独讲?

因为它是程序运行时非常核心的描述对象。

先看看它为什么会出现。

在没有寄存器的时候,数据和程序都放在内存里,执行过程大致就是:

CPU <- 内存（取指令/数据）

CPU -> 内存（写回结果）

但问题来了。

cpu运算速度极快，大约0.3纳秒，而内存的速度，大约100纳秒，内存太慢了，严重拖累cpu的速度

因此,寄存器出现了,它的速度大约为1纳秒

那问题又来了,为什么不直接用寄存器去替代内存,这不快多了吗?

1. 寄存器是属于CPU的一部分，是无法塞下过多的寄存器的
2. 过多的寄存器,会使电路过多
3. 寄存器贵(越精密的东西越贵)

看到这里,你能发现一个规律:

从 CPU -> 寄存器 -> 内存 -> 硬盘 速度是越来越慢的，但容量刚好反过来，是越来越大的。

这其实就是计算机里一个很经典的取舍:

越快的东西,通常越贵、越小。越大的东西,通常越慢。

机器语言和汇编语言

机器语言指令的本质是电子信号。

但电子信号人看不懂,所以人们就用一些英语单词或者缩写,去表示这些指令的功能,这就成了汇编语言。

所以你可以先这样记:

• CPU 真正执行的是机器语言
• 汇编语言只是更方便人去读和写

把汇编语言变成机器语言的过程,叫**汇编(assemble)。 反过来把机器语言还原成汇编形式,就叫反汇编(disassemble)**。

在机器语言这个层面上,程序的大部分操作,本质上都是围绕寄存器完成的。

寄存器也分很多种类型:

程序到底是怎么一条条跑起来的

当然,只有一行程序是干不了什么事的。

那程序是怎么按照指定顺序一条条运行的?

这里有个非常关键的角色: 程序计数器

你可以把它理解成:

它专门记着“下一条要执行哪一行”。

CPU 每执行完一条指令,程序计数器通常就自动指向下一条。 如果遇到跳转、函数调用这些情况,程序计数器就会被改成别的地址。

流程意思:把 123 和 456 两个数值相加,并输出到屏幕中

程序流程大致分三种:

• 顺序执行
• 条件分支
• 循环

上面这种一条一条往下走的,就是顺序执行。

条件分支

条件分支的意思就是:

如果满足某个条件,那就别往下老老实实走了,直接跳去别的地方。

可以看出,当 0102 的条件被满足时,程序会跳转到 0104。

那 CPU 怎么知道“条件满足了没有”呢?

这里就要用到标志寄存器。

标志寄存器不会去保存“累加器和通用寄存器的值”,它保存的是上一次运算之后的结果状态。

比如:

• 结果是不是 0
• 结果是不是负数
• 运算时有没有进位

CPU 在每次运算后,都会自动根据结果去改这些标志位。

然后到了条件跳转这里,CPU 就看标志寄存器里的状态,决定跳还是不跳。

循环

循环本质上其实没有那么神秘。

它就是:

条件分支 + 跳回去再来一次

比如你想把 1 加到 100:

• 先加一次
• 看看有没有到 100(判断)
• 没到,就跳回去继续(跳转)
• 到了,就结束

这里能看出,循环就是 "判断" + "跳转"

函数调用的原理

先来看什么是函数。

早期程序如果什么都从头写到尾,就会有一个很明显的问题:

有些逻辑完全一样,难道每次都重新写一遍?

于是人们就想到:

能不能把一段重复的代码单独放在一个地方,需要的时候跳过去执行,执行完再回来?

于是函数就出现了。

同时也有了两种很关键的指令:

• 调用指令(CALL):在把函数入口地址设置到程序计数器之前,先把“调用后下一条指令的地址”保存到栈里
• 返回指令(RET):把保存在栈里的地址取出来,再放回程序计数器

你可以把它理解成:

• CALL 像“先记住回来位置,再跳过去”
• RET 像“按着刚才记住的位置跳回来”

如何实现数组

这里会用到两个寄存器:

• 基址寄存器:存放一段数据在内存中的起始地址
• 变址寄存器:存放相对这个起始地址的偏移量

说得再白一点:

• 基址寄存器 = 数组从哪开始
• 变址寄存器 = 我要取第几个

比如:

数组起始地址是 每个元素占 4 个字节 我要取下标为 3 的元素1000

那实际地址就是:

1000 + 3 × 4 = 1012

也就是说,数组下标并不是直接“写在内存里”的,而是通过:

起始地址 + 偏移量

算出来的。

计算机内存地址范围 ,32 位寄存器就可以访问全部地址。00000000 ~ FFFFFFFF

而访问连续内存,比如数组,用基址寄存器和变址寄存器会更高效。因为你不用每次都重新找一整块地址,只要知道“从哪里开始,偏多少”就够了。

总结:

程序之所以能跑起来,就是CPU对下面这个过程不断重复:

1. 从内存里取指令
2. 把数据放到寄存器里
3. 做运算或者判断
4. 根据结果修改程序计数器
5. 再去执行下一条

所以你看到的程序,表面上是一大堆代码。

但到了 CPU 这一层,它其实就是:

取指令、放寄存器、做运算、判断要不要跳、然后继续往下跑。