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亚马逊工程师都必须了解的 CPU 执行程序的原理


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你知道 CPU 如何执行你的程序吗?

你写过那么多的代码,但是你知道 CPU 是如何执行它们的吗?你不要找借口说业务逻辑不需要我知道这些,别骗你自己了,你只是安于现状而已,了解计算机的底层对我们的开发能力会有一种间接的提高,这就是修炼内功的作用。

下面以一个简单的程序为例,来简单介绍下 CPU 是如何执行我们写的代码的,当然我们写的代码编译出来有非常多的指令,但我这里只分析有几条最为关键的指令,我们只需要把 CPU 整个执行逻辑搞清楚即可。

要分析的程序:计算 50.00 * 0.1 的值

int main(void) {
  double A = 50.00;
  double B = 0.1;
  double C = A * B;
  return 0;
}

你写完了代码,如果你没有跟别人交流的话,很可能只有你一个人看了,抱歉 CPU 也不认识你写的啥 ……

CPU 并不认识你写的程序

不要惊讶,记住:CPU 只认识二进制代码,也就是一大串的 0 和 1,至于你写的那些很牛比的代码,CPU 大哥并不买帐,那怎么执行我们的程序呢?这就是编译器存在的原因了,我们的编译器将我们写的程序编译成可供 CPU 执行的二进制代码,并分配指令和内存的地址等复杂的工作。

所以假设上面的这段程序经过编译器编译过后,生成下面的一些信息:

上面表格中的地址值都可以看做是编译器为我们指定的(假设 CPU 为 32 Bit,则一条指令 4 个字节,一个 int 也是 4 个字节,所以下面的指令地址和变量地址的偏移都为 4):

  • 100,104,108,112 是我们要分析的 4 条指令的内存地址
  • 2000,2004,2008 是分别存储 A,B,C 这 3 个变量的内存地址

上面的 Asm code 这一列表示的是汇编指令,如果你没有学习过汇编语言,那么这里你可以简单的把一条汇编指令等价于一串具有特定功能的 0 和 1 的序列,因为最后需要通过一个叫做汇编器的东西来将汇编指令转换成 0 和 1 的序列,这样一来,CPU 最后执行的就是具有特定功能的二进制代码了。

在了解了 CPU 只会执行二进制代码后,我们需要再来了解一个程序大体的执行流程。

程序大体的执行流程

一个程序的执行流程总体上可以分为 3 个步骤:磁盘 -> RAM 内存 -> CPU

程序从磁盘拷贝到内存中,CPU 从内存中取指令,然后解码,之后执行,最后将执行结果写回内存,这个过程可以用下面这个流程图来表示:

大体的流程了解即可,底层的东西深入比较复杂,有兴趣可以深入,下面来分析 CPU 的执行程序的具体流程。

具体流程分析

分析分为许多个小的步骤,只要了解了其中一个 CPU 的执行循环,其他的都好理解,下面开始:

Step 1

CPU 将程序计数器设置为 LOAD A, 2000 这条指令的内存地址 100 ,表示现在开始执行这条指令,并把这条指令拷贝到 CPU 内部的指令寄存器 Instruction Register 中,把这里的指令都理解为 0 和 1 组成的序列即可。

Step 1

Step 2

CPU 执行指令寄存器中的指令,并按照上面表格第二列的功能将内存地址 2000 位置的值拷贝到寄存器 A 中,最后寄存器 A 中的值就是 50.00 了。

Step 2

Step 3

Step 2 后,CPU 已经执行完了一条指令,这时需要将程序计数器中的值更新为下一条指令的内存地址,这里就将 LOAD B, 2004 这条指令的内存地址 104 拷贝到程序计数器中去了,表示接下来需要执行这条指令的相关工作。

Step 3

Step 4

这一步将内存地址 104 处的指令 LOAD B, 2004 拷贝到 CPU 的指令寄存器中。

Step 4

Step 5

CPU 执行指令寄存器中的指令 LOAD B, 2004,将内存地址 2004 处的值拷贝到 CPU 的寄存器 B 中。

Step 5

Step 6

CPU 更新程序计数器的值为下一条指令 Multiphy A, B, C 的内存地址 108。

Step 6

Step 7

CPU 将内存地址 108 处的指令 Multiphy A, B, C 拷贝到指令寄存器中。

Step 7

Step 8

CPU 执行当前指令寄存器中的指令 Multiphy A, B, C,利用内部的逻辑运算单元(ALU)来计算 A 和 B 的乘积并把计算结果拷贝到寄存器 C 中。

Step 8

Step 9

CPU 更新程序计数器的值为下一条指令 STORE C, 2008 的内存地址 112。

Step 9

Step 10

CPU 将内存地址 112 处的指令 STORE C, 2008 拷贝到指令寄存器中。

Step 8

Step 11

CPU 执行当前指令寄存器中的指令,将寄存器 C 中的值拷贝到内存地址 2008 处,即将计算结果 5.00 拷贝到内存地址 2008 处,这个程序到这里就执行完毕了。

Step 11

Step 12

CPU 是不能停止工作的,因此它将继续重复上面的步骤:更新程序计数器的值为下一条指令的内存地址 -> 拷贝下一条指令到指令寄存器 -> 执行指令 -> …

Step 12

小结

仔细分析下,大体的流程不是很难(底层细节还有很多,很难,如果你都理解的差不多,那你可能就是传说中的大神吧 ~),只不过我们平常写的程序太复杂导致我们不敢去分析,相信你看了这个例子之后应该对 CPU 如何执行程序有些眉目了吧,如果你有兴趣踏入计算机的世界,欢迎你入坑…

cdeveloper at 05/28/17