漫谈计算机组成原理（一）之程序运行的过程 - 好文

大家都知道，操作系统、计算机组成原理、数据结构与算法、计算机网络、被称作计算机四大基础课。不但是计算机专业考研的四门专业课,而且是每一个程序员必须掌握的内容。其实大家能够看到，为什么绝大多数企业都不想招培训班出来的“程序员”，其中有一个非常重要的原因就是他们的计算机基础知识过于薄弱，也就是上面说到的四门课程。

最近发现，研究计算机组成原理其实是非常有意思的一件事情。为什么这样说呢？不知道你有没有想过，当你写完一个程序之后（以c语言程序为例子），源代码通过编译器编译成汇编语言，然后汇编语言再通过解释，成为机器语言，经过黑盒子（你不知道的方式），得到你想要的结果。你只是看到了程序输出的最终结果，却不知道为什么能够得到你想要的最终结果，对吧。
那么，你有没有想过，一个程序究竟是如何跑起来的呢，究竟在计算机的最底层经过了怎样的执行过程呢？这就是我的这篇博文想要展示给大家的。

概述

我们知道，计算机是由软件和硬件共同组成的。没有硬件，软件就没有用武之地；没有软件，硬件就只能是一堆废铁。
而软件又分为两类：

* 系统软件
* 应用软件
其实这是从宏观上的封装和层次划分，对相关的内容没有了解的开发者理解起来可能会有些难度，不过这不是我们今天的重点。
我尝试着从程序员的视角来给大家分析一下，一个程序的完整运行过程。

计算机如何才能执行程序？

还是接着从序言的部分说起。

我们所用的语言，不论是C语言、Java还是其他的什么语言，都是属于高级语言。而高级语言编写的程序，计算机肯定是不能直接执行的，因为计算机只能识别0和1。为了能够让计算机执行高级语言编写的程序，需要经过下面的这些步骤：

首先，高级语言程序通过编译器编译，成为汇编语言；然后这个汇编程序再经过一个不知道的步骤成为机器语言。
究竟是经过了什么样的过程，汇编语言才会变成机器语言呢？这需要一个东西介入。
就是我们刚才提到的系统软件，泛泛的讲就是操作系统。

操作系统是负责和底层的硬件进行交互的，也就是说，这个把汇编语言变成机器语言的东西，只能是操作系统。如果你下过jdk，如果你够细心，你会发现有arm、i586、x64等类型。这是为什么呢？就是因为计算机硬件或者说芯片是不基于不同的指令集的，那么相同的汇编程序，经过操作系统，转换成对应的机器语言肯定也是不同的。顺便说一下，我们今天的主题是机器语言在底层硬件的流转。

经过这里，我们成功得到了机器语言。当操作系统将汇编程序解释成对应的指令集的机器语言之后，就要看硬件部分究竟是如何处理机器语言的了。
我们前面说的指令系统，就是解释执行机器语言的，这样看来，机器语言实际上就是微指令。

总的来讲，指令系统也好，微指令系统也好，其功能就是来控制硬件执行的。所以，在指令系统得到了机器语言（微指令）后，对硬件进行的相关操作，才是能使我们程序运行的根本原因。
到这里，我们知道了

* 只有机器语言计算机才能够识别并执行
* 相同的汇编语言程序在不同指令集平台下生成的机器语言是不同的
* 机器语言就是微指令
* 微指令系统的作用就是指挥计算机的各部分工作
好了，只有知道了这些内容，我们才能进行后续的东西。

现代计算机的结构

刚才说了，微指令系统是指导计算机硬件运行的。那么，这些计算机硬件都包括什么呢？
众所周知，现代计算机是在冯若依曼体系计算机的基础之上发展起来的，在开始我们的讲述之前，了解下冯若依曼计算机的结构还是很有必要的。

* 运算器：进行算数逻辑运算
* 存储器：存放数据以及程序
* 控制器：控制程序、数据、运算处理结果
* 输入设备：将指令转换成机器可识别的机器语言
* 输出设备：将指令转换成人可以识别的内容
可以看到，冯诺依曼结构的计算机是以运算器为核心的，而现在的计算机则是以存储器为核心的。这其中的原因暂不表述，有兴趣的可以查阅相关资料。
虽然现代计算机是以存储器为中心的，但是还是基于冯若依曼体系的。冯若依曼体系计算机的特点现代计算机都有。
现代计算机的结构是这样的：（纯手画，略丑，见谅）

主机中由主存储器和CPU组成，再有就是外部的IO设备，现代的计算机结构虽然和冯诺依曼结构有些不太一样，但是仍是基于冯诺依曼结构的。
注意：这里面有一个非常重要的内容，那就是指令的格式。
刚才说了，指令其实就是机器语言，那么，一条机器语言的格式究竟是什么样子呢？是这样的：机器语言或者说指令，分为两个部分，一部分是操作码，另外一部分是数据地址。
比如说，我现在要做的操作是将0000111011地址的数据存到存储器之中，那么操作就是这样的：

前面的是指令码，后面的是地址码。我们发现，在这种情况下，地址码和指令码都是二进制的数据，处于同样的地位，这也是冯若依曼体系计算机的一大特点。
好了，了解了以上内容，我们马上就能看到一个程序究竟是如何跑起来的了。

计算机的工作过程

我们上面看到了现代计算机的体系结构：存储器、算数逻辑（运算器）、控制单元（控制器），当然还有IO设备。
现在，我们知道了微指令（机器语言）就是在这些部件之中游走，完成程序的操作，但是具体是如何游走的，或者说微指令系统是如何执行机器语言的，我们仍然不知道。
就我们目前掌握的内容来看，只能了解到这个层次了，若要是想再进一步，我们对更底层的东西还是要再进行分解。

存储器

下图是存储器的基本结构：

看了这张图你可能会-有很多的疑问，比如说存储体是个什么东西？其实，再细分的东西，这篇博客就暂不作介绍了，因为并不影响我们的阅读，如果你感兴趣的话，欢迎持续关注我的博客，我会把漫谈计算机组成原理作为一个系列的文章，来仔细为大家讲述计算机组成的奥秘。
对于存储体，你只需要知道这就是个存储的部件即可，可以存放数据。
MAR：存储器地址寄存器；MDR：存储器数据寄存器。

所谓的寄存器，就是临时存放的意思。所以，上面两个就是临时存放地址和数据的地方。至于为什么这么叫，再最后一部分你会非常明白的，这里我就先不做介绍，你只需要知道有这么个东西就行了。

运算器

这是运算器的结构图。
我们知道，运算器就是做逻辑运算的，比如说加减乘除等运算，简而言之就是做数据处理的。

图中显示的什么累加寄存器、乘商寄存器等这些东西，不必让这些名词困扰你。我来简单说一下，累加寄存器就是差与和存放的地方。那么你就会问，为啥有差、和却叫累加寄存器呢？那是因为在计算机中是没有减法的，如果有，那就是加上一个负数而已，只能是这样。至于乘商寄存器肯定就是放乘积和商的地方了。
至于X，这货叫操作数寄存器。比如说X+3。X是放到ACC中的，这个后面的加数就是放在X这个寄存器中，等待着操作的进行。

控制器

控制器的作用：解释指令，保证指令有序执行。
控制器的结构如下：

刚才我们讲，再冯诺依曼体系中，指令和数据是以同等的地位存在于系统之中的，也就都是二进制。你也看到了一条指令的格式。地址码指向的是IO设备的地址，而控制码呢？计算机是如何知道这条指令要执行的是加法操作还是乘法操作呢？实际上，操作码就是存放在CU控制单元之中的。指令寄存器会对CU控制单元发出请求，得到的就是具体的操作。
PC的作用又是什么呢？它的作用实际上是执行完当前指令后，自动加一。也就指向了下一个地址，那里又存放着一条指令，然后继续这个过程。

主机完成指令的过程

好了，终于走到了最后一部分。

在前面的几个过程中，你了解到了现代计算机的每一个部件的组成以及具体功能，在知道了这些内容后，下面的东西理解起来是会很简单的。在最后的这一部分，我会举出两个具体的例子，让你知道程序代码最终形成的机器语言究竟是如何运行的。

取数指令

描述：简单的讲，就是把一个数取出，存到ACC（一般加法操作时，ACC就是作为被加数）中的具体过程。先来看下面的这张图，最好结合着我下面的介绍看。

* 1.程序计数器+1，开始指向下一个地址。
* 2.存储器地址寄存器中存放着下一个地址，根据这个地址（地址寄存器的名字来历），指向存储体中的指令数据。
* 3.从存储体得到数据，存入数据寄存器（数据寄存器的名字就是这么来的）
* 4.得到指令，格式为指令码+操作码（当前操作就是：取数操作-地址），指令写入IR指令寄存器中。
* 5.指令寄存器询问CU控制单元当前是何种操作，得到取指令操作的回复
* 6.指令中的数据地址存入地址寄存器
* 7.通过地址寄存器得到存储体中当前地址存储的数据
* 8.得到的数据存入数据寄存器中
* 9.数据寄存器中的数据写入ACC，完成整个操作
* 10.PC程序计数器+1，开始新一轮的判断。
有了这个，相信你已经对整个操作过程有了很深刻的理解，下面我们再来一个例子，加深理解。

ax^2+bx+c程序运行过程(程序代码已经成为了机器语言)

* 1.程序由IO设备送至计算机
* 2.PC+1，得到程序首地址
* 3.程序开始启动
* 4.取数指令：PC–>MAR–>存储体–>MDR–>IR(指令寄存器)
* 5.分析指令：取出指令寄存器中的操作码，送入CU控制单元进行分析，得到指令意义
* 6.执行指令：取出IR中的地址码–>MAR—>存储体–>MDR–>ACC
* 7.PC+1=PC，得到新的地址
* 8.取数指令：PC–>MAR–>存储体–>MDR–>IR(指令寄存器)
* 9.分析指令：取出指令寄存器中的操作码，送入CU控制单元进行分析，得到指令意义
* 10.执行指令：取出IR中的地址码–>MAR—>存储体–>MDR–>X
* ……
* 最终出现结果
* 程序执行完毕

好了，进行到这里，我们的漫谈计算机组成原理的第一篇文章就算是结束了。如果大家发现我的博客存在问题，或者大家有什么疑问的地方，欢迎私信我，欢迎志同道合的伙伴联系我！邮箱:roobtyan@aliyun.com

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