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计算机原理#xff08;一#xff09;
继续上一篇计算机原理#xff08;一#xff09;深入了解程序执行部分#xff0c;进一步说说程序在冯诺依曼模型上如何执行。如果没有了解的童鞋可以查看我上一篇文章。…计算机原理系列
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计算机原理一
继续上一篇计算机原理一深入了解程序执行部分进一步说说程序在冯诺依曼模型上如何执行。如果没有了解的童鞋可以查看我上一篇文章。
1.程序的执行过程
当 CPU 执行程序的时候 1.第一步CPU 读取 PC 指针指向的指令将它导入指令寄存器。完成读取指令这件事情有 3 个步骤
步骤 1CPU 的控制单元操作地址总线指定需要访问的内存地址简单理解就是把 PC 指针中的值拷贝到地址总线中。步骤 2CPU 通知内存设备准备数据内存设备准备好了就通过数据总线将数据传送给 CPU。步骤 3CPU 收到内存传来的数据后将这个数据存入指令寄存器。 完成以上 3 步CPU 成功读取了 PC 指针指向指令存入了指令寄存器。
2.然后CPU 分析指令寄存器中的指令确定指令的类型和参数。 3.如果是计算类型的指令那么就交给逻辑运算单元计算如果是存储类型的指令那么由控制单元执行。 4.PC 指针自增并准备获取下一条指令。
2.详解a1115的程序执行过程
上面我们了解了基本的程序执行过程接下来我们来看看如果用冯诺依曼模型执行a1115是一个怎样的过程。
当我们写的程序a1115是字符串CPU只能执行指令。所以这里需要用到编译器。编译器的核心能力是翻译它把一种程序翻译成CPU可执行的语言。比如java语言就是把.java转换成.class文件类加载到JVM通过解释器和即时编译器JIT Compiler执行字节码指令这里大概了解下后面我会单独讲讲JVM工作原理。 下面我们来详细阐述a1115的大体执行过程
1.编译器通过分析发现11和15是数据因此编译好的程序启动时会在内存中开辟出一个专门的区域存这样的常数这个专门用来存储常数的区域就是数据段如下
11 被存储到了地址 0x10015 被存储到了地址 0x104
2.编译器将a1115转换成了 4 条指令程序启动后这些指令被导入了一个专门用来存储指令的区域也就是正文段。如上图所示这 4 条指令被存储到了 0x200-0x20c 的区域中
0x200位置的load指令将地址0x100中的数据11导入寄存器R00x204位置的load指令将地址0x104中的数据15导入寄存器R10x208位置的add指令将寄存器R0和R1中的值相加存入寄存器R20x20c位置的store指令将寄存器R2中的值存回数据区域中的0x1108位置。
3.具体执行的时候PC指针先指向0x200位置然后依次执行这4条指令。
3.指令
在上面的例子中load 指令将内存中的数据导入寄存器我们写成了 16 进制0x8c000100拆分成二进制就大体如下
最左边的6位叫作操作码英文是OpCode100011代表load指令中间的4位0000是寄存器的编号这里代表寄存器R0后面的22位代表要读取的地址也就是0x100。
所以我们是把操作码、寄存器的编号、要读取的地址合并到了一个32位的指令中。 我们再来求加法运算的 add 指令16进制表示是0x08048000换算成二进制就是
最左边的6位是指令编码代表指令 add紧接着的4位 0000 代表寄存器 R0然后再接着的4位 0001 代表寄存器 R1再接着的4位 0010 代表寄存器 R2最后剩下的14位没有被使用。
构造指令的过程叫作指令的编码通常由编译器完成解析指令的过程叫作指令的解码由CPU完成。由此可见CPU内部有一个循环
首先CPU通过PC指针读取对应内存地址的指令单词就是Fetch 。CPU对指令进行解码单词就是Decode。CPU执行指令单词就是Execution。CPU将结果存回寄存器或者将寄存器存入内存单词就是Store。 上面4个步骤就是CPU的指令周期。CPU的工作就是一个周期接着一个周期周而复始。
4.指令的类型
通过上面的例子不同类型的指令、参数个数、每个参数的位宽都不一样。而参数可以是以下这三种类型
寄存器内存地址数值一般是整数和浮点。
当然无论是寄存器、内存地址还是数值它们都是数字。 指令从功能角度来划分大概有以下 5 类
I/O 类型的指令比如处理和内存间数据交换的指令 store/load 等再比如将一个内存地址的数据转移到另一个内存地址的 mov 指令。计算类型的指令最多只能处理两个寄存器比如加减乘除、位运算、比较大小等。跳转类型的指令用处就是修改 PC 指针。比如编程中大家经常会遇到需要条件判断跳转的逻辑比如if-elseswtich-case、函数调用等。信号类型的指令比如发送中断的指令 trap。闲置 CPU 的指令 nop一般 CPU 都有这样一条指令执行后 CPU 会空转一个周期。
指令还有一个分法就是寻址模式比如同样是求和指令可能会有另个版本
将两个寄存器的值相加的 add 指令。将一个寄存器和一个整数相加的 addi 指令。 另外同样是加载内存中的数据到寄存器的 load 指令也有不同的寻址模式比如直接加载一个内存地址中的数据到寄存器的指令la叫作直接寻址。直接将一个数值导入寄存器的指令li叫作寄存器寻址。将一个寄存器中的数值作为地址然后再去加载这个地址中数据的指令lw叫作间接寻址。
因此寻址模式是从指令如何获取数据的角度对指令的一种分类目的是给编写指令的人更多选择。
5.指令的执行速度
CPU其实是用石英晶体产生的脉冲转化为时钟信号驱动的每一次时钟信号高低电平的转换就是一个周期我们叫时钟周期。CPU的主频说的就是时钟信号的频率。比如一个1GHz的CPU说的是时钟信号的频率是1G。这就是我们买电脑熟悉的需要知道CPU的频率参数了频率越高性能越好了。
这里再说明一下不是每个时钟周期都可以执行一条指令。多数指令可能不在一个时钟周期完成通常需要 2 个、4 个、6 个时钟周期。
