计算机组成原理：如何执行指令（指令读取）（八） 这是计算机组成原理系列文章的第8篇，欢迎持续！
：游戏服务器开发 上一篇罗罗的游戏：计算机组成原理：如何计算数据（实际应用）（七-3） 总结回顾 随着计算机组成原理旅程的逐渐深入，我们已经了解计算机组成的绝大部分，为了熟悉记忆这一系列的知识，我们再来回顾一下各章的内容，把这些内容串联起来，对我们理解知识和加强整体的把握都很有帮助 首先，我们需要理解信息的表达和二进制的表示，这是最基础的理论 接着，我们结合理论知识，通过继电器制造各类最基础的逻辑门 最后，我们要记住计算机第一原则：输入数据-运算数据-输出数据 以上三点是底底底底层的知识，后面更高一层的器件，都是可以根据以上三点知识制造出来的。所有这些抽象的器件又再一次组合，从而形成计算机的各类部件，这就是计算机的组成第一，最最最底层的原理和理论，就是我们的信息如何表示，二进制如何表达，二进制如何与布尔代数结合，从而把我们对事物的数学建模与描述，转为具体的数字信息。例如，如何计算2个人相差多少岁？我们首先要用数字对2个人的年龄进行描述，A为20，B为30，这就是信息的表示，20和30是我们对事物的数学描述。然后再把20转为二进制10100，30转为二进制11110，这是把信息用二进制进行表达。然后利用计算机计算出相差10岁，这是利用布尔代数设计的电路计算的结果 第二，最最最底层的电路件，就是根据布尔代数与二进制，利用继电器而设计出来的各类门电路。可以说这些门电路，是信息表示，二进制表达，布尔代数这些理论知识在物理世界中的实现和表达。无论多高深，多正确的理论或者真理，最后一定要在工程中得到实践，它才有用。例如，牛顿定律也要在工程中实际制造汽车飞机火箭，它才算真正用到实处了 第三，最后根据最基础的逻辑门电路，设计出组成计算机的每个部件。根据计算机的第一原则，输入数据：我们可以根据基础的门电路设计出键盘，内存，磁盘等设备，用来提供数据给运算器使用。运算数据：根据二进制数据的特点，利用基础逻辑门电路，我们就可以制造运算设备，也就是CPU，再输入数据，就可以通过计算得到我们要的结果。输出数据：我们依然可以根据基础的门电路，把运算的结果输出。当然这个输出可以是数字，图像，音频等，输出的地方也可以是屏幕，存储器，麦克风等。这些结果的输出本质都是二进制信息 这就是计算机的组成，只做一件最简单的事情：输入数据-运算数据-输出数据。不要害怕实际编程过程中，或者项目中很多难的点，例如：内存，多线程编程，网络等问题。仔细分析，其实内存，就是在提高输入数据的效率，提前准备好数据在内存方便快速读取；多线程多核的本质就是如何合理安排分配CPU，就是如何提高运算数据的效率并且保证数据正确性；网络其实和输入数据，输出数据都有点关系，因为关涉到数据的接收和发送 自动执行 我们还有另一个重要的问题：我们制造计算机是为了让机器帮我们计算，帮我们工作。我们想要在使用计算机的时候，能够非常简单快捷地使用，甚至能做到，我们给个开始指令，计算机就能自动执行。否则每次使用计算机的时候，还要手工执行每个操作，那效率实在是太低了 其实我们想要的是，计算机如何自动地执行我们的指令，不用我们一步一步的操作。例如，计算1+2=3。我们只需要输入1和2，再按个执行，计算机就可以自动执行以下流程：把1和2分别转为二进制，并分别存进2个存储器。一按执行，计算机自动去内存读取1和2，并把二进制数据送到全加器，全加器自动化执行加法操作，执行完得到结果，再直接把结果存到第3个存储器，最后跳转到下一条指令继续执行 什么是指令 指令就是计算机能完成一系列操作的集合 举个例子：我们制作的全加器，它能进行加法计算，是因为我们把电路设计成这个特定功能的样子。那我们如何使用它？我们此时指定一条加法指令，也就是指定一个电信号，全加器收到这个电信号，就会自动工作，输出加法的结果 当然，我们要使用全加器，必须要提供2个加数，因此我们又可以把2个加数提前放到某一个位置，全加器固定到这个地方读取，这个地方就叫寄存器 寄存器的数据又是哪里来的？我们又设计一个指令，叫读取指令。读取指令会把某个内存地址的数据复制到寄存器。因此一般在加法指令前，会有一个读取指令，用来读取数据 全加器计算完结果后，会把结果存在另一个寄存器。此时我们又需要一条写入指令，把寄存器中的计算结果保存到内存 根据以上流程，我们大概知道为什么说程序就是指令+数据。指令是在CPU设计时候就已经确定好了，没办法更改，因为需要实现什么功能，都是在CPU电路提前设计好的。但计算机有很多种指令，大概几百条，我们通过组织这些指令的执行顺序，来实现不同的功能计算机的指令都能完成某一个特定的功能，是最最最底层的功能实现，通过组织这些底层指令的执行顺序，来完成我们的计算要求，是我们前面第二层抽象出来的键盘，存储器，全加器上的第三层抽象除了执行的操作，我们还需要提供具体的数据，这才使我们的计算具有意义。固定的指令（顺序不固定，数量不固定，类型不固定，每条指令的功能固定）+动态的数据，从而形成了所谓的程序。程序员写代码，本质就是组合使用计算机中几百条的指令顺序，并提供数据，从而实现各种不同的功能，仅此而已。可以说指令是微观的，但是有无数微观的指令，因为指令数量的多少，执行顺序的不同，和使用的数据不同，形成了我们看到的宏观上程序的百花齐放的功能 如何执行指令 写一下最简单的计算机执行的指令 输入数据1（键盘人工操作）存储指令，数据D1，地址A1（读取键盘输入，把数据1存储到内存地址A1） 输入数据2（键盘人工操作）存储数据，数据D2，地址A2（读取键盘输入，把数据2存储到内存地址A2） 读取指令，地址A1（读取内存数据，把内存地址A1的数据复制到寄存器R1） 读取指令，地址A2（读取内存数据，把内存地址A2的数据复制到寄存器R2） 加法指令，加数C1，加数C2（把寄存器B1，寄存器B2的值输入全加器，把结果输出到寄存器R3） 存储指令，数据D3，地址A3（把寄存器R3的数据复制到内存地址A3） 新的问题：那我们的指令又是怎么样存储的呢？指令又是如何一条接一条的执行？ 其实指令和数据没有本质的区别，在计算机中都是二进制来表示，正如前面所说的，对于一串二进制数的含义，结果是看我们如何解析。例如：，它可以表示二进制数据，那它同样可以表示某一个指令。假如我们有100条不同的指令，那么我们就可以给这100条不同的指令进行编号，从而指令和数据都可以用二进制进行存储 注意：可以表示二进制数据，可以表示计算机指令，那同样可以表示某个地址！！ 但是计算机会把指令和数据分开存放，以区分它们。隔离指令和数据，并且不同程序之间的内存也进行隔离，方便了电路实现和编程语言设计，以及提高程序安全性。这些其实就是计算机系统中说的内核态，用户态，进程空间这些高一层抽象知识的底层实现，所有的编程语言，计算机抽象的概念，在底层的计算机组成中来看，都是很简单直接的 另外，指令是二进制数据的话，也就一定占用内存。无数的指令存储在一个地方，地址都是相连的，例如：地址1，指令1；地址2，指令2；地址3，指令3…这样排列下去。 你可能疑惑：那又是什么指令来指导读取下一条指令呢？ 关键的点就是时钟，时钟是自动的，就是我们计算机中说的CPU工作频率。举个例子：每当时钟响一次，我就去内存读一条指令执行，而且指令地址的序号是递增的，每读取一条指令，我记数+1，下次我就知道该去哪个地址读取下一条指令了。这个就是计算机中的程序计数器。CPU的工作频率非常重要，举个例子：假如1秒钟响一次的次数很多，那读取并执行指令的数量就会很多，程序很快就执行完了，因此我们都会CPU的主频，其实它提高的就是运算数据的效率 当计算机读取到指令时，会去分析指令，完成对应的操作，这些操作都是在设计CPU和指令系统的时候固定好的。所以我们可以写一个特殊的指令，让程序计数器跳回到某个地址，直接读取该地址的指令并执行，这就是实现了编程语言中循环，跳转，函数调用的底层实现，非常灵活和容易理解 注意：程序计数器中，每读取一条指令，计数器就+1，代表着指令内存地址+1，但不代表着2个指令相隔就是1。正如前面说的，1字节代表着1个地址，2个相邻字节的地址相隔是1，但是其实各自占有8字节。假如是32位的计算机，2个相邻指令的地址相隔是1，但其实各自占有8字节 最后再来分析一下指令和程序的关系 其实在计算机最底层的实现来看，所有的编程语言最后调用的都是那固定的几百条指令，计算机的CPU只认识那已经写死的几百条指令。编程的本质，就是安排这些指令的执行顺序，并提供准确的数据。提供数据又关涉到变量和地址，地址又关涉到指针等。函数的调用也无非就是指令的跳转，跳转之后再考虑数据的传递，也就有了堆栈的知识。指令+数据，形成了程序在计算机中的内存，为了管理和安全性，又有了进程，线程等概念。最后为了管理所有硬件软件资源，又产生一个超级程序，即计算机系统来管理所有资源，而计算机系统为了效率，管理与安全，又产生系统态和用户态等概念，隔离开程序之间的运行环境，又产生进程间通信与内存共享等的问题 如果这篇文章对你有帮助，就点个赞，反正你们收藏了也不看的 上一篇罗罗的游戏：计算机组成原理：如何计算数据（实际应用）（七-3） 下一篇罗罗的游戏：计算机组成原理：如何输出数据（屏幕显示）（九） ：游戏服务器开发
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