CPU是如何識(shí)別代碼的

近讀到這樣一篇文章，從底層硬件角度出發(fā)剖析了一下CPU對(duì)代碼的識(shí)別和讀取，內(nèi)容之精彩，讀完感覺(jué)學(xué)到的很多東西瞬間聯(lián)系起來(lái)了，分享給猿們。

首先要開(kāi)始這個(gè)話題要先說(shuō)一下半導(dǎo)體。啥叫半導(dǎo)體？

半導(dǎo)體其實(shí)就是介于導(dǎo)體和絕緣體中間的一種東西，比如二極管。

電流可以從A端流向C端，但反過(guò)來(lái)則不行。你可以把它理解成一種防止電流逆流的東西。

當(dāng)C端10V，A端0V，二極管可以視為斷開(kāi)。

當(dāng)C端0V，A端10V，二極管可以視為導(dǎo)線，結(jié)果就是A端的電流源源不斷的流向C端，導(dǎo)致最后的結(jié)果就是A端=C端=10V

等等，不是說(shuō)好的C端0V，A端10V么？咋就變成結(jié)果是A端=C端=10V了？

你可以把這個(gè)理解成初始狀態(tài)，當(dāng)最后穩(wěn)定下來(lái)之后就會(huì)變成A端=C端=10V。

文科的童鞋們對(duì)不住了，實(shí)在不懂問(wèn)高中物理老師吧。反正你不能理解的話就記住這種情況下它相當(dāng)于導(dǎo)線就行了。

利用半導(dǎo)體，我們可以制作一些有趣的電路，比如【與門(mén)】

此時(shí)A端B端只要有一個(gè)是0V，那Y端就會(huì)和0V地方直接導(dǎo)通，導(dǎo)致Y端也變成0V。只有AB兩端都是10V，Y和AB之間才沒(méi)有電流流動(dòng)，Y端也才是10V。

我們把這個(gè)裝置成為【與門(mén)】，把有電壓的地方計(jì)為1，0電壓的地方計(jì)為0。至于具體幾V電壓，那不重要。

也就是AB必須同時(shí)輸入1，輸出端Y才是1;AB有一個(gè)是0，輸出端Y就是0。

其他還有【或門(mén)】【非門(mén)】和【異或門(mén)】，跟這個(gè)都差不多，或門(mén)就是輸入有一個(gè)是1輸出就是1，輸入00則輸入0。

非門(mén)也好理解，就是輸入1輸出0，輸入0輸出1。

異或門(mén)難理解一些，不過(guò)也就那么回事，輸入01或者10則輸出1，輸入00或者11則輸出0。（即輸入兩個(gè)一樣的值則輸出0，輸入兩個(gè)不一樣的值則輸出1）。

這幾種門(mén)都可以用二極管做出來(lái)，具體怎么做就不演示了，有興趣的童鞋可以自己試試。每次都畫(huà)二極管也是個(gè)麻煩，我們就把門(mén)電路簡(jiǎn)化成下面幾個(gè)符號(hào)。

然后我們就可以用門(mén)電路來(lái)做CPU了。當(dāng)然做CPU還是挺難的，我們先從簡(jiǎn)單的開(kāi)始：加法器。

加法器顧名思義，就是一種用來(lái)算加法的電路，最簡(jiǎn)單的就是下面這種。

AB只能輸入0或者1，也就是這個(gè)加法器能算0+0，1+0或者1+1。

輸出端S是結(jié)果，而C則代表是不是發(fā)生進(jìn)位了，二進(jìn)制1+1=10嘛。這個(gè)時(shí)候C=1，S=0

費(fèi)了大半天的力氣，算個(gè)1+1是不是特別有成就感？

那再進(jìn)一步算個(gè)1+2吧（二進(jìn)制01+10），然后我們就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的問(wèn)題：第二位需要處理第一位有可能進(jìn)位的問(wèn)題，所以我們還得設(shè)計(jì)一個(gè)全加法器。

每次都這么畫(huà)實(shí)在太麻煩了，我們簡(jiǎn)化一下

也就是有3個(gè)輸入2個(gè)輸出，分別輸入要相加的兩個(gè)數(shù)和上一位的進(jìn)位，然后輸入結(jié)果和是否進(jìn)位。

然后我們把這個(gè)全加法器串起來(lái)

我們就有了一個(gè)4位加法器，可以計(jì)算4位數(shù)的加法也就是15+15，已經(jīng)達(dá)到了幼兒園中班水平，是不是特別給力？

做完加法器我們?cè)僮鰝€(gè)乘法器吧，當(dāng)然乘任意10進(jìn)制數(shù)是有點(diǎn)麻煩的，我們先做個(gè)乘2的吧。

乘2就很簡(jiǎn)單了，對(duì)于一個(gè)2進(jìn)制數(shù)數(shù)我們?cè)诤竺婕觽€(gè)0就算是乘2了

比如：

5=101（2）

10=1010（2）

所以我們只要把輸入都往前移動(dòng)一位，再在最低位上補(bǔ)個(gè)零就算是乘2了。具體邏輯電路圖我就不畫(huà)，你們知道咋回事就行了。

那乘3呢？簡(jiǎn)單，先位移一次（乘2）再加一次。乘5呢？先位移兩次（乘4）再加一次。

所以一般簡(jiǎn)單的CPU是沒(méi)有乘法的，而乘法則是通過(guò)位移和加算的組合來(lái)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這說(shuō)的有點(diǎn)遠(yuǎn)了，我們還是繼續(xù)做CPU吧。

現(xiàn)在假設(shè)你有8位加法器了，也有一個(gè)位移1位的模塊了。串起來(lái)你就能算了！

（A+B）X2

激動(dòng)人心，已經(jīng)差不多到了準(zhǔn)小學(xué)生水平。

那我要是想算呢？

AX2+B

簡(jiǎn)單，你把加法器模塊和位移模塊的接線改一下就行了，改成輸入A先過(guò)位移模塊，再進(jìn)加法器就可以了。

啥？？？？你說(shuō)啥？？？你的意思是我改個(gè)程序還得重新接線？

所以你以為呢？編程就是把線來(lái)回插啊。

驚喜不驚喜？意外不意外？

早期的計(jì)算機(jī)就是這樣編程的，幾分鐘就算完了但插線好幾天。而且插線是個(gè)細(xì)致且需要耐心的工作，所以那個(gè)時(shí)候的程序員都是清一色的漂亮女孩子，穿制服的那種，就像照片上這樣。是不是有種生不逢時(shí)的感覺(jué)？

雖然和美女作伴是個(gè)快樂(lè)的事，但插線也是個(gè)累死人的工作。所以我們需要改進(jìn)一下，讓CPU可以根據(jù)指令來(lái)相加或者乘2。

這里再引入兩個(gè)模塊，一個(gè)叫flip-flop，簡(jiǎn)稱FF，中文好像叫觸發(fā)器。

這個(gè)模塊的作用是存儲(chǔ)1bit數(shù)據(jù)。比如上面這個(gè)RS型的FF，R是Reset，輸入1則清零。S是Set，輸入1則保存1。RS都輸入0的時(shí)候，會(huì)一直輸出剛才保存的內(nèi)容。

我們用FF來(lái)保存計(jì)算的中間數(shù)據(jù)（也可以是中間狀態(tài)或者別的什么），1bit肯定是不夠的，不過(guò)我們可以并聯(lián)嘛，用4個(gè)或者8個(gè)來(lái)保存4位或者8位數(shù)據(jù)。這種我們稱之為寄存器（Register）。

另外一個(gè)叫MUX，中文叫選擇器。

這個(gè)就簡(jiǎn)單了，sel輸入0則輸出i0的數(shù)據(jù)，i0是什么就輸出什么，01皆可。同理sel如果輸入1則輸出i1的數(shù)據(jù)。當(dāng)然選擇器可以做的很長(zhǎng)，比如這種四進(jìn)一出的

具體原理不細(xì)說(shuō)了，其實(shí)看看邏輯圖琢磨一下就懂了，知道有這個(gè)東西就行了。

有這個(gè)東西我們就可以給加法器和乘2模塊（位移）設(shè)計(jì)一個(gè)激活針腳。

這個(gè)激活針腳輸入1則激活這個(gè)模塊，輸入0則不激活。這樣我們就可以控制數(shù)據(jù)是流入加法器還是位移模塊了。

于是我們給CPU先設(shè)計(jì)8個(gè)輸入針腳，4位指令，4位數(shù)據(jù)。

我們?cè)僭O(shè)計(jì)3個(gè)指令：

0100，數(shù)據(jù)讀入寄存器

0001，數(shù)據(jù)與寄存器相加，結(jié)果保存到寄存器

0010，寄存器數(shù)據(jù)向左位移一位（乘2）

為什么這么設(shè)計(jì)呢，剛才也說(shuō)了，我們可以為每個(gè)模塊設(shè)計(jì)一個(gè)激活針腳。然后我們可以分別用指令輸入的第二第三第四個(gè)針腳連接寄存器，加法器和位移器的激活針腳。

這樣我們輸入0100這個(gè)指令的時(shí)候，寄存器輸入被激活，其他模塊都是0沒(méi)有激活，數(shù)據(jù)就存入寄存器了。同理，如果我們輸入0001這個(gè)指令，則加法器開(kāi)始工作，我們就可以執(zhí)行相加這個(gè)操作了。

這里就可以簡(jiǎn)單回答這個(gè)問(wèn)題的第一個(gè)小問(wèn)題了：

那cpu 是為什么能看懂這些二級(jí)制的數(shù)呢？

為什么CPU能看懂，因?yàn)镃PU里面的線就是這么接的唄。你輸入一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，就像開(kāi)關(guān)一樣激活CPU里面若干個(gè)指定的模塊以及改變這些模塊的連同方式，最終得出結(jié)果。

幾個(gè)可能會(huì)被問(wèn)道的問(wèn)題

Q：CPU里面可能有成千上萬(wàn)個(gè)小模塊，一個(gè)32位/64位的指令能控制那么多嗎？

A：我們舉例子的CPU里面只有3個(gè)模塊，就直接接了。真正的CPU里會(huì)有一個(gè)解碼器（decoder），把指令翻譯成需要的形式。

Q：你舉例子的簡(jiǎn)單CPU，如果我輸入指令0011會(huì)怎么樣？

A：當(dāng)然是同時(shí)激活了加法器和位移器從而產(chǎn)生不可預(yù)料的后果，簡(jiǎn)單的說(shuō)因?yàn)槟闶褂昧藳](méi)有設(shè)計(jì)的指令，所以后果自負(fù)唄。（在真正的CPU上這么干大概率就是崩潰唄，當(dāng)然肯定會(huì)有各種保護(hù)性的設(shè)計(jì)，死也就死當(dāng)前進(jìn)程）

細(xì)心的小伙伴可能發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：你設(shè)計(jì)的指令

【0001，數(shù)據(jù)與寄存器相加，結(jié)果保存到寄存器】

這個(gè)一步做不出來(lái)吧？畢竟還有一個(gè)回寫(xiě)的過(guò)程，實(shí)際上確實(shí)是這樣。我們?cè)O(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易CPU執(zhí)行一個(gè)指令差不多得三步，讀取指令，執(zhí)行指令，寫(xiě)寄存器。

經(jīng)典的RISC設(shè)計(jì)則是分5步：讀取指令（IF），解碼指令（ID），執(zhí)行指令（EX），內(nèi)存操作（MEM），寫(xiě)寄存器（WB）。我們平常用的x86的CPU有的指令可能要分將近20個(gè)步驟。

你可以理解有這么一個(gè)開(kāi)關(guān)，我們啪的按一下，CPU就走一步，你按的越快CPU就走的越快。咦？聽(tīng)說(shuō)你有個(gè)想法？少年，你這個(gè)想法很危險(xiǎn)啊，姑且不說(shuō)你有沒(méi)有麒麟臂，能不能按那么快（現(xiàn)代的CPU也就2GHz多，大概也就一秒按個(gè)20億下左右吧）

就算你能按那么快，雖然速度是上去了，但功耗會(huì)大大增加，發(fā)熱上升穩(wěn)定性下降。江湖上確實(shí)有這種玩法，名曰超頻，不過(guò)新手不推薦你嘗試哈。

那CPU怎么知道自己走到哪一步了呢？前面不是介紹了FF么，這個(gè)不光可以用來(lái)存中間數(shù)據(jù)，也可以用來(lái)存中間狀態(tài)，也就是走到哪了。

具體的設(shè)計(jì)涉及到FSM（finite-state machine），也就是有限狀態(tài)機(jī)理論，以及怎么用FF實(shí)裝。這個(gè)也是很重要的一塊，考試必考哈，只不過(guò)跟題目關(guān)系不大，這里就不展開(kāi)講了。

我們?cè)倮^續(xù)剛才的講，現(xiàn)在我們有3個(gè)指令了。我們來(lái)試試算個(gè)（1+4）X2+3吧。

0100 0001 ；寄存器存入1

0001 0100 ；寄存器的數(shù)字加4

0010 0000 ；乘2

0001 0011 ；再加三

太棒了，靠這臺(tái)計(jì)算機(jī)我們應(yīng)該可以打敗所有的幼兒園小朋友，稱霸大班了。而且現(xiàn)在我們用的是4位的，如果換成8位的CPU完全可以吊打低年級(jí)小學(xué)生了！

實(shí)際上用程序控制CPU是個(gè)挺高級(jí)的想法，再此之前計(jì)算機(jī)（器）的CPU都是單獨(dú)設(shè)計(jì)的。

1969年一家日本公司BUSICOM想搞程控的計(jì)算器，而負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)CPU的美國(guó)公司也覺(jué)得每次都重新設(shè)計(jì)CPU是個(gè)挺傻X的事，于是雙方一拍即合，于1970年推出一種劃時(shí)代的產(chǎn)品，世界上第一款微處理器4004。

這個(gè)架構(gòu)改變了世界，那家負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)CPU的美國(guó)公司也一步一步成為了業(yè)界巨頭。哦對(duì)了，它叫Intel，對(duì)，就是噔噔噔噔的那個(gè)。

我們把剛才的程序整理一下，

01000001000101000010000000010011

你來(lái)把它輸入CPU，我去準(zhǔn)備一下去幼兒園大班踢館的工作。神馬？等我們輸完了人家小朋友掰手指都能算出來(lái)了？？

沒(méi)辦法機(jī)器語(yǔ)言就是這么反人類。哦，忘記說(shuō)了，這種只有01組成的語(yǔ)言被稱之為機(jī)器語(yǔ)言（機(jī)器碼），是CPU唯一可以理解的語(yǔ)言。不過(guò)你把機(jī)器語(yǔ)言讓人讀，絕對(duì)一秒變典韋，這誰(shuí)也受不了。