电脑识别指令和代码的原理

电脑识别指令和代码的原理

一．前言

电脑代bai码，就du是让电脑执行的命令。可以让电脑执行相应zhi的命令。就电脑本身底层代码所言就dao是0和1，或者说二进制码、十六进制等等。还有汇编、C、C++、java等等高级语言代码。就网络而言有：html、asp、jsp、cgi、php网络语言代码等等。

关键是约定一套信号协议。电脑 CPU 只按传入的二进制代码执行指令，商家约定好了一套指令体系，不管什么编程语言都通过某种方式把代码编译为 CPU 能懂的二进制指令指挥 CPU 工作。协议跟人与人的交流一样，是有规矩的。

再举个例子，发出一串指令，如果是以 1开头，则表示做什么，比如做加法，那么後面接着会发过来两个数，CPU 做加法后把结果存入特定的寄存器，程序会有后续指令去这个寄存器提取结果，放入指定的内存中，CPU 按照这样的约定解析传入的一连串二进制数据，并一一执行。

CPU 能直接做什么，根据这套指令体系来看，是不能直接做的，程序员负责编写完整解决方案让 CPU 能做出来，这就叫编程，整个指令序列叫程序。

CPU 不知道不管你什么语言代码，那是给人阅读的，不是给计算机阅读的，计算机只懂编译过的二进制指令，还必须是按照商家设计好的指令体系编制的指令序列才行。没有什么编程语言一定是高大上的，它好不好用在于编译器或解释器把这些人类代码翻译为机器码有多高明。

守恒律在这方面仍然起作用，你写的高级语言代码越少，翻译给机器执行的指令实际上越多。C 语言入门最基础的 hello world 程序，不要以为写的很短就很得意，这程序编译後的二进制机器码有 5K，printf() 函数的源代码有多长，可以自己去看看，但实际上你输出一个字符串用不着完整的 printf() 功能，这函数其实一个低效的解释型程序。

总的来说，CPU不是认识代码，而是记住代码，数据总线送过来一个指令，是什么如何执行，已经固化在CPU里了，如何执行和固化？是通过复杂的组合，以门，非门，与非门这三种复杂的组合，实现了复杂的逻辑关系。

有几个概念，语言bai、指令。这里说的语言是指计算机zhi语言，例如C语言、daoC++语言等而不是人类语言，汉语、英语等。人们使用这些语言表达自己需要完成的一系列功能，就形成程序，而这个程序就是用这种语言写的文字。语言是通过编译器将其转换成处理器指令。就像人类的翻译。语言和指令存在着某种等价关系。就是说给定一个特定语言写的程序，编译器都将其转换对应的处理器指令序列。而处理器指令本质上数学上的一组0和1。而0和1的问题就数字电路的问题了。

二．CPU硬件基础和软件逻辑过程

首先要开始这个话题要先说一下半导体。啥叫半导体？

半导体其实就是介于导体和绝缘体中间的一种东西，比如二极管。

电流可以从A端流向C端，但反过来则不行。你可以把它理解成一种防止电流逆流的东西。

当C端10V，A端0V，二极管可以视为断开。

当C端0V，A端10V，二极管可以视为导线，结果就是A端的电流源源不断的流向C端，导致最后的结果就是A端=C端=10V

等等，不是说好的C端0V，A端10V么？咋就变成结果是A端=C端=10V了？

可以把这个理解成初始状态，当最后稳定下来之后就会变成A端=C端=10V。

利用半导体，可以制作一些有趣的电路，比如【与门】

此时A端B端只要有一个是0V，那Y端就会和0V地方直接导通，导致Y端也变成0V。只有AB两端都是10V，Y和AB之间才没有电流流动，Y端也才是10V。把这个装置成为【与门】，把有电压的地方计为1，0电压的地方计为0。至于具体几V电压，那不重要。也就是AB必须同时输入1，输出端Y才是1;AB有一个是0，输出端Y就是0。其他还有【或门】【非门】和【异或门】，跟这个都差不多，或门就是输入有一个是1输出就是1，输入00则输入0。非门也好理解，就是输入1输出0，输入0输出1。异或门难理解一些，不过也就那么回事，输入01或者10则输出1，输入00或者11则输出0。（即输入两个一样的值则输出0，输入两个不一样的值则输出1）。这几种门都可以用二极管做出来，具体怎么做就不演示了，有兴趣的童鞋可以自己试试。每次都画二极管也是个麻烦，就把门电路简化成下面几个符号。

然后就可以用门电路来做CPU了。当然做CPU还是挺难的，先从简单的开始：加法器。加法器顾名思义，就是一种用来算加法的电路，最简单的就是下面这种。

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。输出端S是结果，而C则代表是不是发生进位了，二进制1+1=10嘛。这个时候C=1，S=0费了大半天的力气，算个1+1是不是特别有成就感？那再进一步算个1+2吧（二进制01+10），然后就发现了一个新的问题：第二位需要处理第一位有可能进位的问题，所以还得设计一个全加法器。

每次都这么画实在太麻烦了，简化一下

也就是有3个输入2个输出，分别输入要相加的两个数和上一位的进位，然后输入结果和是否进位。然后把这个全加法器串起来

就有了一个4位加法器，可以计算4位数的加法也就是15+15，已经达到了幼儿园中班水平，是不是特别给力？做完加法器再做个乘法器吧，当然乘任意10进制数是有点麻烦的，先做个乘2的吧。乘2就很简单了，对于一个2进制数数在后面加个0就算是乘2了比如：

5=101（2）

10=1010（2）

所以只要把输入都往前移动一位，再在最低位上补个零就算是乘2了。具体逻辑电路图我就不画，你们知道咋回事就行了。那乘3呢？简单，先位移一次（乘2）再加一次。乘5呢？先位移两次（乘4）再加一次。所以一般简单的CPU是没有乘法的，而乘法则是通过位移和加算的组合来通过软件来实现的。这说的有点远了，还是继续做CPU吧。现在假设你有8位加法器了，也有一个位移1位的模块了。串起来你就能算了！

（A+B）X2

激动人心，已经差不多到了准小学生水平。那我要是想算呢？

AX2+B

简单，你把加法器模块和位移模块的接线改一下就行了，改成输入A先过位移模块，再进加法器就可以了。啥？？？？你说啥？？？你的意思是我改个程序还得重新接线？所以你以为呢？编程就是把线来回插啊。

早期的计算机就是这样编程的，几分钟就算完了但插线好几天。而且插线是个细致且需要耐心的工作，所以那个时候的程序员都是清一色的漂亮女孩子，穿制服的那种，就像照片上这样。是不是有种生不逢时的感觉？虽然和美女作伴是个快乐的事，但插线也是个累死人的工作。所以需要改进一下，让CPU可以根据指令来相加或者乘2。这里再引入两个模块，一个叫flip-flop，简称FF，中文好像叫触发器。

 这个模块的作用是存储1bit数据。比如上面这个RS型的FF，R是Reset，输入1则清零。S是Set，输入1则保存1。RS都输入0的时候，会一直输出刚才保存的内容。用FF来保存计算的中间数据（也可以是中间状态或者别的什么），1bit肯定是不够的，不过可以并联嘛，用4个或者8个来保存4位或者8位数据。这种称之为寄存器（Register）。另外一个叫MUX，中文叫选择器。

其实看看逻辑图琢磨一下就懂了，知道有这个东西就行了。有这个东西就可以给加法器和乘2模块（位移）设计一个激活针脚。这个激活针脚输入1则激活这个模块，输入0则不激活。这样就可以控制数据是流入加法器还是位移模块了。于是给CPU先设计8个输入针脚，4位指令，4位数据。再设计3个指令：

0100，数据读入寄存器0001，数据与寄存器相加，结果保存到寄存器0010，寄存器数据向左位移一位（乘2）

为什么这么设计呢，刚才也说了，可以为每个模块设计一个激活针脚。然后可以分别用指令输入的第二第三第四个针脚连接寄存器，加法器和位移器的激活针脚。这样输入0100这个指令的时候，寄存器输入被激活，其他模块都是0没有激活，数据就存入寄存器了。同理，如果输入0001这个指令，则加法器开始工作，就可以执行相加这个操作了。这里就可以简单回答这个问题的第一个小问题了：那cpu 是为什么能看懂这些二级制的数呢？为什么CPU能看懂，因为CPU里面的线就是这么接的呗。你输入一个二进制数，就像开关一样激活CPU里面若干个指定的模块以及改变这些模块的连同方式，最终得出结果。几个可能会被问道的问题Q：CPU里面可能有成千上万个小模块，一个32位/64位的指令能控制那么多吗？A：举例子的CPU里面只有3个模块，就直接接了。真正的CPU里会有一个解码器（decoder），把指令翻译成需要的形式。Q：你举例子的简单CPU，如果我输入指令0011会怎么样？A：当然是同时激活了加法器和位移器从而产生不可预料的后果，简单的说因为你使用了没有设计的指令，所以后果自负呗。（在真正的CPU上这么干大概率就是崩溃呗，当然肯定会有各种保护性的设计，死也就死当前进程）细心的小伙伴可能发现一个问题：你设计的指令

【0001，数据与寄存器相加，结果保存到寄存器】

这个一步做不出来吧？毕竟还有一个回写的过程，实际上确实是这样。设计的简易CPU执行一个指令差不多得三步，读取指令，执行指令，写寄存器。经典的RISC设计则是分5步：读取指令(IF)，解码指令(ID)，执行指令(EX)，内存操作(MEM)，写寄存器(WB)。平常用的x86的CPU有的指令可能要分将近20个步骤。你可以理解有这么一个开关，啪的按一下，CPU就走一步，你按的越快CPU就走的越快。咦？听说你有个想法？少年，你这个想法很危险啊，姑且不说你有没有麒麟臂，能不能按那么快（现代的CPU也就2GHz多，大概也就一秒按个20亿下左右吧）就算你能按那么快，虽然速度是上去了，但功耗会大大增加，发热上升稳定性下降。江湖上确实有这种玩法，名曰超频，不过新手不推荐你尝试哈。那CPU怎么知道自己走到哪一步了呢？前面不是介绍了FF么，这个不光可以用来存中间数据，也可以用来存中间状态，也就是走到哪了。具体的设计涉及到FSM（finite-state machine），也就是有限状态机理论，以及怎么用FF实装。这个也是很重要的一块，考试必考哈，只不过跟题目关系不大，这里就不展开讲了。再继续刚才的讲，现在有3个指令了。来试试算个（1+4）X2+3吧。

0100 0001 ；寄存器存入10001 0100 ；寄存器的数字加40010 0000 ；乘20001 0011 ；再加三

现在用的是4位的，如果换成8位的CPU完全可以吊打低年级小学生了！实际上用程序控制CPU是个挺高级的想法，再此之前计算机（器）的CPU都是单独设计的。1969年一家日本公司BUSICOM想搞程控的计算器，而负责设计CPU的美国公司也觉得每次都重新设计CPU是个挺傻X的事，于是双方一拍即合，于1970年推出一种划时代的产品，世界上第一款微处理器4004。这个架构改变了世界，那家负责设计CPU的美国公司也一步一步成为了业界巨头，它叫Intel。把刚才的程序整理一下，

01000001000101000010000000010011

没办法机器语言就是这么反人类。这种只有01组成的语言被称之为机器语言（机器码），是CPU唯一可以理解的语言。