CPU是怎么認識程序員寫的代碼的？

御龍歸來 2019-10-14

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其實CPU是不認識程序員寫的代碼的，這需要編譯器當中間的翻譯官，在說方舟編譯器的時候說過這些，這里更系統(tǒng)的說一下，會涉及到的計算機課程包括《計算機組成原理》、《電子電路》、《匯編語言》、《編譯原理》、《C/C /JAVA 程序設(shè)計》等。

某種意義上來說算盤就是一種早期的計算機，算盤計算需要的是什么？數(shù)據(jù)和操作，比如“1 1”這個運算“1”就是數(shù)據(jù)，“ ”就是對數(shù)據(jù)進行的操作。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，我們的電腦可以干很多很多的事情了，但是本質(zhì)上還是在做類似“1 1”的操作。

目前所接觸到的計算機都是以馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)如下：

簡單說就是CPU從外面取數(shù)據(jù)，然后在內(nèi)部通過運算器做運算，最終將計算結(jié)果輸出，控制器則是對程序規(guī)定的控制信息進行分析,控制并協(xié)調(diào)輸入,輸出操作或內(nèi)存訪問。

CPU是一顆數(shù)字電路芯片（還有模擬電路芯片），他是怎么制造出來的呢？可以參考Intel制作的從沙子到芯片的短片，如下：

CPU上面主要是晶體管電路，晶體管只有兩個狀體：高電平和低電平，在計算機中用0（false）和1(true)表示，通過0和1能表示多少東西呢？前面我們說CPU的本質(zhì)就是計算，只有兩個狀態(tài)如何計算“1 1”，“2 2”呢？有一個數(shù)學分支——布爾代數(shù)。布爾代數(shù)只有兩個數(shù)據(jù)表示：true(1)和false（0），運算符也沒有加減乘除，只有：NOT（非）、AND（與）、OR（或）（讀起來好像跟鬧太套很像）。

以AND(為例)，只有兩個都為true，結(jié)果才是true，有一個為false結(jié)果就為false，這種看似神奇的邏輯本來是證明哲學的，所以。。。

在布爾代數(shù)中，只需要通過，NOT（非）、AND（與）、OR（或）來實現(xiàn)運算，其實還有個常用的XOR(異或)。運算解決了，數(shù)字怎么解決，只有0和1怎么表示那么多的數(shù)字？這個大家都能想到——二進制就行了，可是程序中不僅有數(shù)字還有字母呢，怎么搞？提前編碼，就是ascii表，實際上我們輸入一個大寫字面“A”,在里面對應(yīng)的就是二進制0100 0001（十進制65）；

有了布爾代數(shù)以及ascii表，計算機就可以表示所有的數(shù)字和字母（初期不支持漢字）以及符號了，下面就可以設(shè)計門電路了，CPU就是由各種門電路組成的：

到了這里可以很容易得出一個結(jié)論，CPU用0和1就可以搞定數(shù)據(jù)和運算，CPU是搞定了，對CPU來說各種0和1的組合就是它能讀懂的“語言”，這就是我們所說的機器語言。0和1這種語言也是人來規(guī)定的，人當然也能讀懂，但是當面對非常龐大的一堆的0和1時，任誰都會崩潰，這太反人類了。

于是匯編語言誕生了，匯編語言與機器指令是一一對應(yīng)的，比如我們要計算1 1，如果直接輸入機器碼會是很長的一串0和1的組合，如果是匯編語言（8086）呢？大概就是下面的樣子：

mov ax, 1 //寄存器ax送入值1，
mov bx, 1 //寄存器bx送入值1，
add ax, bx // ax和 bx 寄存器值相加

是不是很容易看懂了？寄存器又是什么呢？是CPU內(nèi)部暫時存儲指令、地址、數(shù)據(jù)的元器件，intel的64位處理器中有16個寄存器。

又說起硬件了，我們繼續(xù)說軟件，匯編語言有很多指令和助記符幫助程序員，所以這些程序編寫起來會方便很多，那CPU是如何理解匯編器的呢？其實機器也不懂匯編語言，把匯編語言轉(zhuǎn)換成都是01的機器語言需要匯編器（Assembler），其實就是匯編語言編譯器，但是這個很底層，用二進制寫的，機器可以讀懂這個翻譯。

對程序員來說，匯編語言確實比機器碼方便了，但是依然會設(shè)計寄存器，地址等，想要做一個大型軟件還是很麻煩，這就有了C語言等，后來又有了JAVA、python等高級需要，比如要用C語言寫一個'1 1'，就是下面的形式：

int x;
x = 1 1;

是不是更簡單了，C語言一樣效率不高，因為想要更好的描述世界，進行大型程序開發(fā)面向過程的語言是力不從心的，于是就有了面向?qū)ο?，有了反射等機制。不管是C語言還是JAVA、python等，都是為了方便程序員更好的抽象和描述世界，描述需求。機器依然不懂，編譯器因此誕生了，編譯器就是把程序員用的各種高級語言翻譯成處理器才懂的機器語言。

上面我一直說的CPU都是基于Intel 的8086處理器，課本上也一直是這個，現(xiàn)在應(yīng)該也還是，但是事實上現(xiàn)在已經(jīng)有很多的處理器已經(jīng)不是X86處理器了，ARM和X86的區(qū)別是什么呢？ISA（An instruction set architecture , 指令集架構(gòu))不同，我們還說上面最簡單的A B的描述，在不同的指令集上，他們的實現(xiàn)是不一樣的，也就是我們平時說的架構(gòu)不同，所以同一個程序最后編譯到不同架構(gòu)的處理器上得到的機器碼也是不同的，無法移植。