匯編語(yǔ)言是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)如何工作的很好的工具，它需要我們具備計(jì)算機(jī)硬件的工作知識(shí)。

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基本微機(jī)設(shè)計(jì)

下圖給出了假想機(jī)的基本設(shè)計(jì)。中央處理單元（CPU）是進(jìn)行算術(shù)和邏輯操作的部件，包含了有限數(shù)量的存儲(chǔ)位置——寄存器（register），一個(gè)高頻時(shí)鐘、一個(gè)控制單元和一個(gè)算術(shù)邏輯單元。

其中：

• 時(shí)鐘 (clock) 對(duì) CPU 內(nèi)部操作與系統(tǒng)其他組件進(jìn)行同步。
• 控制單元 (control unit, CU) 協(xié)調(diào)參與機(jī)器指令執(zhí)行的步驟序列。
• 算術(shù)邏輯單元 (arithmetic logic unit, ALU) 執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，如加法和減法，以及邏輯運(yùn)算，如 AND（與）、OR（或）和 NOT（非）。

CPU 通過(guò)主板上 CPU 插座的引腳與計(jì)算機(jī)其他部分相連。大部分引腳連接的是數(shù)據(jù)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)和地址總線(xiàn)。

內(nèi)存存儲(chǔ)單元 (memory storage unit) 用于在程序運(yùn)行時(shí)保存指令與數(shù)據(jù)。它接受來(lái)自 CPU 的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)從隨機(jī)存儲(chǔ)器 (RAM) 傳輸?shù)?CPU，并從 CPU 傳輸?shù)絻?nèi)存。

由于所有的數(shù)據(jù)處理都在 CPU 內(nèi)進(jìn)行，因此保存在內(nèi)存中的程序在執(zhí)行前需要被復(fù)制到 CPU 中。程序指令在復(fù)制到 CPU 時(shí)，可以一次復(fù)制一條，也可以一次復(fù)制多條。

總線(xiàn) (bus) 是一組并行線(xiàn)，用于將數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)一個(gè)部分傳送到另一個(gè)部分。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常包含四類(lèi)總線(xiàn)：數(shù)據(jù)類(lèi)、I/O 類(lèi)、控制類(lèi)和地址類(lèi)。

數(shù)據(jù)總線(xiàn) (data bus) 在 CPU 和內(nèi)存之間傳輸指令和數(shù)據(jù)。I/O 總線(xiàn)在 CPU 和系統(tǒng)輸入 / 輸出設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。控制總線(xiàn) (control bus) 用二進(jìn)制信號(hào)對(duì)所有連接在系統(tǒng)總線(xiàn)上設(shè)備的行為進(jìn)行同步。當(dāng)前執(zhí)行指令在 CPU 和內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，地址總線(xiàn) (address bus) 用于保持指令和數(shù)據(jù)的地址。

時(shí)鐘與 CPU 和系統(tǒng)總線(xiàn)相關(guān)的每一個(gè)操作都是由一個(gè)恒定速率的內(nèi)部時(shí)鐘脈沖來(lái)進(jìn)行同步。機(jī)器指令的基本時(shí)間單位是機(jī)器周期 (machine cycle) 或時(shí)鐘周期 (clock cycle)。

一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)長(zhǎng)是一個(gè)完整時(shí)鐘脈沖所需要的時(shí)間。下圖中，一個(gè)時(shí)鐘周期被描繪為兩個(gè)相鄰下降沿之間的時(shí)間：

時(shí)鐘周期持續(xù)時(shí)間用時(shí)鐘速度的倒數(shù)來(lái)計(jì)算，而時(shí)鐘速度則用每秒振蕩數(shù)來(lái)衡量。例如，一個(gè)每秒振蕩 10 億次 (1GHz) 的時(shí)鐘，其時(shí)鐘周期為 10 億分之 1 秒 (1 納秒 )。

執(zhí)行一條機(jī)器指令最少需要 1 個(gè)時(shí)鐘周期，有幾個(gè)需要的時(shí)鐘則超過(guò)了 50 個(gè)（比如 8088 處理器中的乘法指令）。由于在 CPU、系統(tǒng)總線(xiàn)和內(nèi)存電路之間存在速度差異，因此，需要訪問(wèn)內(nèi)存的指令常常需要空時(shí)鐘周期，也被稱(chēng)為等待狀態(tài) (wait states)。

指令執(zhí)行周期

一條機(jī)器指令不會(huì)神奇地一下就執(zhí)行完成。CPU 在執(zhí)行一條機(jī)器指令時(shí)，需要經(jīng)過(guò)一系列預(yù)先定義好的步驟，這些步驟被稱(chēng)為指令執(zhí)行周期 (instruction execution cycle)。

假設(shè)現(xiàn)在指令指針寄存器中已經(jīng)有了想要執(zhí)行指令的地址，下面就是執(zhí)行步驟：

1) CPU 從被稱(chēng)為指令隊(duì)列 (instruction queue) 的內(nèi)存區(qū)域取得指令，之后立即增加指令指針的值。

2) CPU 對(duì)指令的二進(jìn)制位模式進(jìn)行譯碼。這種位模式可能會(huì)表示該指令有操作數(shù)（輸入值）。

3) 如果有操作數(shù)，CPU 就從寄存器和內(nèi)存中取得操作數(shù)。有時(shí)，這步還包括了地址計(jì)算。

4) 使用步驟 3 得到的操作數(shù)，CPU 執(zhí)行該指令。同時(shí)更新部分狀態(tài)標(biāo)志位，如零標(biāo)志 (Zero)、進(jìn)位標(biāo)志 (Carry) 和溢出標(biāo)志 (Overflow)。

5) 如果輸出操作數(shù)也是該指令的一部分，則 CPU 還需要存放其執(zhí)行結(jié)果。

通常將上述聽(tīng)起來(lái)很復(fù)雜的過(guò)程簡(jiǎn)化為三個(gè)步驟：取指 (Fetch)、譯碼 (Decode) 和執(zhí)行 (Execute)。操作數(shù) (operand) 是指操作過(guò)程中輸入或輸出的值。例如，表達(dá)式 Z=X+Y 有兩個(gè)輸入操作數(shù) (X 和 Y)，—個(gè)輸岀操作數(shù) (Z)。

下圖是一個(gè)典型 CPU 中的數(shù)據(jù)流框圖。該圖表現(xiàn)了在指令執(zhí)行周期中相互交互部件之間的關(guān)系。在從內(nèi)存讀取程序指令之前，將其地址放到地址總線(xiàn)上。然后，內(nèi)存控制器將所需代碼送到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，存入代碼高速緩存 (code cache)。指令指針的值決定下一條將要執(zhí)行的指令。指令由指令譯碼器分析，并產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)值信號(hào)送往控制單元，其協(xié)調(diào) ALU 和浮點(diǎn)單元。雖然圖中沒(méi)有畫(huà)出控制總線(xiàn)，但是其上傳輸?shù)男盘?hào)用系統(tǒng)時(shí)鐘協(xié)調(diào)不同 CPU 部件之間的數(shù)據(jù)傳輸。

讀取內(nèi)存

作為一個(gè)常見(jiàn)現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)比從內(nèi)部寄存器讀取速度要慢很多。這是因?yàn)閺膬?nèi)存讀取一個(gè)值，需要經(jīng)過(guò)下述步驟：

• 將想要讀取的值的地址放到地址總線(xiàn)上。
• 設(shè)置處理器 RD（讀取）引腳（改變 RD 的值）。
• 等待一個(gè)時(shí)鐘周期給存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行響應(yīng)。
• 將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)制到目標(biāo)操作數(shù)。

上述每一步常常只需要一個(gè)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期是基于處理器內(nèi)固定速率時(shí)鐘節(jié)拍的一種時(shí)間測(cè)量方法。計(jì)算機(jī)的 CPU 通常是用其時(shí)鐘速率來(lái)描述。例如，速率為 1.2GHz 意味著時(shí)鐘節(jié)拍或振蕩為每秒 12 億次。

因此，考慮到每個(gè)時(shí)鐘周期僅為 1/1 200 000 000 秒，4 個(gè)時(shí)鐘周期也是非常快的。但是，與 CPU 寄存器相比，這個(gè)速度還是慢了，因?yàn)樵L問(wèn)寄存器一般只需要 1 個(gè)時(shí)鐘周期。

幸運(yùn)的是，CPU 設(shè)計(jì)者很早之前就已經(jīng)指出，因?yàn)榻^大多數(shù)程序都需要訪問(wèn)變量，計(jì)算機(jī)內(nèi)存成為了速度瓶頸。他們想出了一個(gè)聰明的方法來(lái)減少讀寫(xiě)內(nèi)存的時(shí)間一一將大部分近期使用過(guò)的指令和數(shù)據(jù)存放在高速存儲(chǔ)器 cache 中。

其思想是，程序更可能希望反復(fù)訪問(wèn)相同的內(nèi)存和指令，因此，cache 保存這些值就能使它們能被快速訪問(wèn)到。此外，當(dāng) CPU 開(kāi)始執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，它會(huì)預(yù)先將后續(xù)（比如）一千條指令加載到 cache 中，這個(gè)行為是基于這樣一種假設(shè)，即這些指令很快就會(huì)被用到。

如果這種情況重復(fù)發(fā)生在一個(gè)代碼塊中，則 cache 中就會(huì)有相同的指令。當(dāng)處理器能夠在 cache 存儲(chǔ)器中發(fā)現(xiàn)想要的數(shù)據(jù)，則稱(chēng)為 cache 命中 (cache hit)。反之，如果 CPU 在 cache 中沒(méi)有找到數(shù)據(jù)，則稱(chēng)為 cache 未命中 (cache miss)。

x86 系列中的 cache 存儲(chǔ)器有兩種類(lèi)型：一級(jí) cache（或主 cache）位于 CPU 上；二級(jí) cache （或次 cache）速度略慢，通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線(xiàn)與 CPU 相連。這兩種 cache 以最佳方式一 起工作。

還有一個(gè)原因使得 cache 存儲(chǔ)器比傳統(tǒng) RAM 速度快，cache 存儲(chǔ)器是由一種被稱(chēng)為靜態(tài) RAM (static RAM) 的特殊存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成的。這種芯片比較貴，但是不需要為了保持其內(nèi)容進(jìn)行不斷地刷新。另一方面，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，即動(dòng)態(tài) RAM (dynamic RAM)，就需要持續(xù)刷新。它速度慢一些，但是價(jià)格更便宜。

加載并執(zhí)行程序

在程序執(zhí)行之前，需要用一種工具程序?qū)⑵浼虞d到內(nèi)存，這種工具程序稱(chēng)為程序加載器 (program loader)。加載后，操作系統(tǒng)必須將 CPU 向程序的入口，即程序開(kāi)始執(zhí)行的地址。以下步驟是對(duì)這一過(guò)程的詳細(xì)分解。

1) 操作系統(tǒng)（OS）在當(dāng)前磁盤(pán)目錄下搜索程序的文件名。如果找不到，則在預(yù)定目錄列表（稱(chēng)為路徑（path））下搜索文件名。當(dāng) OS 無(wú)法檢索到文件名時(shí)，它會(huì)發(fā)出一個(gè)出錯(cuò)信息。

2) 如果程序文件被找到，OS 就訪問(wèn)磁盤(pán)目錄中的程序文件基本信息，包括文件大小，及其在磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上的物理位置。

3) OS 確定內(nèi)存中下一個(gè)可使用的位置，將程序文件加載到內(nèi)存。為該程序分配內(nèi)存塊，并將程序大小和位置信息加入表中（有時(shí)稱(chēng)為描述符表（descriptor table））。另外，OS 可能調(diào)整程序內(nèi)指針的值，使得它們包括程序數(shù)據(jù)地址。

4) OS 開(kāi)始執(zhí)行程序的第一條機(jī)器指令（程序入口）。當(dāng)程序開(kāi)始執(zhí)行后，就成為一個(gè)進(jìn)程（process）。OS 為這個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)（進(jìn)程 ID），用于在執(zhí)行期間對(duì)其進(jìn)行追蹤。

5) 進(jìn)程自動(dòng)運(yùn)行。OS 的工作是追蹤進(jìn)程的執(zhí)行，并響應(yīng)系統(tǒng)資源的請(qǐng)求。這些資源包括內(nèi)存、磁盤(pán)文件和輸入輸出設(shè)備等。

6) 進(jìn)程結(jié)束后，就會(huì)從內(nèi)存中移除。

不論使用哪個(gè)版本的 Microsoft Windows，按下 Ctrl-Alt-Delete 組合鍵，可以選擇任務(wù)管理器（task manager）選項(xiàng)。在任務(wù)管理器窗口可以查看應(yīng)用程序和進(jìn)程列表。

應(yīng)用程序列表中列出了當(dāng)前正在運(yùn)行的完整程序名稱(chēng)，比如，Windows 瀏覽器，或者 Microsoft Visual C++。如果選擇進(jìn)程列表，則會(huì)看見(jiàn)一長(zhǎng)串進(jìn)程名。其中的每個(gè)進(jìn)程都是一個(gè)獨(dú)立于其他進(jìn)程的，并處于運(yùn)行中的小程序。

可以連續(xù)追蹤每個(gè)進(jìn)程使用的 CPU 時(shí)間和內(nèi)存容量。在某些情況下，選定一個(gè)進(jìn)程名稱(chēng)后，按下 Delete 鍵就可以關(guān)閉該進(jìn)程。

下一篇：1.11?字符在計(jì)算機(jī)中是如何表示的
1.12?匯編語(yǔ)言布爾表達(dá)式
處理器架構(gòu)
2.1?CPU處理器架構(gòu)
2.2?32位x86處理器架構(gòu)
2.3?x86-64處理器架構(gòu)
2.4?x86計(jì)算機(jī)組件
匯編語(yǔ)言基礎(chǔ)
3.1?第一個(gè)匯編語(yǔ)言程序
3.2?匯編語(yǔ)言常量
3.3?匯編語(yǔ)言保留字
3.4?匯編語(yǔ)言標(biāo)識(shí)符
3.5?匯編語(yǔ)言偽指令

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CPU处理器架构和工作原理浅析的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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