CPU的硬件結構和彙編語言

(已更正) 這個問題包括CPU的硬件結構和彙編語言的範疇. 這裏梳理一下.

首先, 題主"李建國"自問自答的部分說的是正確的,  CPU的指令集是軟件與CPU這兩個層級之間的接口, 而CPU本身, 就是對於這一套CPU指令集的"實例化". 

不管處於上層的軟件多麼的高級, 想要在CPU執行, 就必須被翻譯成"機器碼", 翻譯這個工做由編譯器來執行. 編譯器在這個過程當中, 要通過"編譯", "彙編", "連接"幾個步驟, 最後生成"可執行文件". 可執行文件中保存的是二進制機器碼. 這串機器碼能夠直接被CPU讀取和執行. 

軟件意義上, "指令集"其實是一個規範, 規範彙編的文件格式.
如下爲一條x86彙編代碼:
mov word ptr es:[eax + ecx * 8 + 0x11223344], 0x12345678

這裏能夠體現出指令集的格式限制:
1. 可使用mov指令, 但它只能有2個操做數.
2. 它的操做數長度是16 (word), 不要看到後面0x12345678就認爲是32位操做數.
3. 它帶有段超越前綴, 這裏使用了es, 還可使用ds, cs, ss, fs, gs. 可是隻能用這幾個.
4. 第一個操做數是一個內存地址, 第二個是當即數. 可是, 這個內存地址不能亂寫, 寫成[eax+ecx*10+0x11223344]就錯了.

實際上,  一條彙編指令與一段機器碼是一一對應的. 上面這段匯, 能夠被x86編譯器翻譯成幾乎惟一的一段機器碼:
26 66 c7 84 c8 44 33 22 11 78 56
上面提到的1,2,3,4點若是有一個弄錯, 這一步就會失敗.

能夠看出來, 指令集的做用, 就是告訴程序員/編譯器, 彙編必定要有格式. 支持什麼指令, 指令帶什麼限制條件, 用什麼操做數, 用什麼地址, 都是指令集規範的內容, 要是寫錯了, 就沒法翻譯成機器碼.
指令集規範彙編, 彙編能夠翻譯成機器碼, 機器碼告訴CPU每一個週期去作什麼. 所以,  CPU指令集是描述CPU能實現什麼功能的一個集合, 就是描述"CPU能使用哪些機器碼"的集合".

那機器碼進入到CPU後又作什麼呢?
=====================編譯器和CPU的分界線========================

須要被執行的機器碼先要被OS調度到內存之中, 程序執行時, 機器碼依次通過了Memory--Cache--CPU fetch, 進入CPU流水線, 接着就要對它進行譯碼了, 譯碼工做生成的象是CPU內部數據格式, 微碼(或者相似的格式, 這個格式不一樣的廠商會本身設計). 

這個過程畫成圖就是:

軟件層: 彙編語言
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接口: 彙編語言所對應的機器碼
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硬件層: CPU使用內部數據結構進行運算

若是機器碼錶明的功能是在指令集規範內的, 這條機器碼就能夠生產微碼, 並在CPU內正常流動. 假設機器碼是錯誤的, 是不能夠經過CPU的譯碼階段的, 控制電路必定會報錯. 這種狀況反映在Windows裏每每都是藍屏, 由於CPU沒法繼續執行, 它連下一條指令在哪都不知道.

那麼指令集在CPU裏就表明: 只有CPU指令集範圍內的指令能夠被成功的譯碼, 並送往CPU流水線後端去執行.
和常規的想法不同, CPU不須要任何形式的存儲介質去存儲指令集, 由於"譯碼"這個步驟就是在對指令集裏規範的機器碼作解碼. 硬件上, 譯碼這件事須要龐大數目的邏輯門陣列來實現.

跳出格式這個圈子來看待這個問題. 能夠說, CPU執行單元的能力, 決定了指令集的範圍. 好比, CPU的執行單元有能力執行16位加法, 32位加法, 64位加法, 那麼指令集裏 通常就會有ADD 16, ADD 32, ADD 64這樣的表達方式. 若是CPU的執行單元沒有電路執行AVX指令, 那麼指令集裏 通常就沒有VINSERTF128這樣的指令供使用. 因此, 強有力的執行單元可以提供更多的指令集.

再來看"CPU指令集在哪裏"這個問題, 回答是,  CPU自己就是CPU指令集. 指令集規定CPU能夠作什麼事, CPU就是具體作這件事的工具. 若是必定要指定一個狹義的CPU指令集的存放位置. 那就是CPU中的"譯碼電路".

 

編輯於 2014-04-21 10 條評論 感謝 分享 收藏 • 沒有幫助 • 

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Cascade

知乎用戶、朱超然、譚厶 等人贊同

是，這個解釋起來有點長。Be patient
現代的CPU沒拆過，我只在計算機組成原理實驗課上用VHDL在某個實驗平臺上作過一個模擬的CPU。舉個例子你可能比較好理解。
好比咱們設計一套指令集，其中確定有條加法指令。好比Add R1 R2 。咱們能夠認爲這條指令的意思是計算寄存器R1中的內容和R2的和，而後把結果存到R1寄存器中。
那麼通過編譯後這條指令會變成二進制，好比010100010010 。這條二進制指令一共12位。明顯能夠分爲三大部分。最前面的0101表示這是條加法指令，後面0001說的是第一個操做數是寄存器1，最後0010說的是第二個數就是寄存器2（其實實際沒有這麼簡單的指令，至少應該區分操做數是寄存器仍是直接的數據，但爲了把這說的更容易理解做了簡化）。咱們能夠經過十二根導線把這條指令輸入一個CPU中。導線通電就是1，不通電就是0 。爲了敘述方便咱們從左到右用A0-A11給這12根導線編上號。
而後計算機會分析這條指令。步驟以下：

1. 最開始的兩根導線A0和A1，第一根有電第二根沒電，就能知道這是一條運算指令（而非存儲器操做或者跳轉等指令）。那麼指令將被送入邏輯運算單元（ALU）去進行計算。其實很簡單。只要這兩根線控制接下來那部分電路開關便可。
2. 接下來的A2和A3，01表示加法，那麼就走加法運算那部分電路，關閉減法等運算電路。
3. A4-A7將被送入寄存器電路，從中讀取寄存器保存的值。送到ALU的第一個數據接口電路上。
4. 後面的A8-A11一樣被送入寄存器選擇電路，接通R2寄存器，而後R2就把值送出來，放到ALU的第二個數據接口上。
5. ALU開始運算，把兩個接口電路上的數據加起來，而後輸出。
6. 最後結果又被送回R1。

基本上簡單的運算計算機就是這麼操做的。他其實不知道你那些指令都是什麼意思。具體的指令編程機器碼後就會變成數字電路的開關信號。其中某幾段會做爲控制信號，控制其餘部分的數據走不一樣的電路以執行運算。他沒有一個地方保存着如何翻譯這些機器碼的字典，全部機器碼的意義都被體如今整個電路的設計中了。
固然，從彙編到機器碼這步是彙編程序翻譯的。彙編程序固然知道某條指令要翻譯成什麼樣的機器碼。

來源： <http://www.zhihu.com/question/20793038>

 

 

評分最高的（@Cascade ）回答的應該是指令是如何執行的，對題主提的指令集存在CPU哪裏，個人回答是：1. 指令集是在設計CPU時規定的，指令集規定了有哪些CPU可以「一條條」執行的「指令」是合法的。2. 指令集是一個集合，它的功能性體如今每條可以執行的「指令」上面。涉及到具體指令後，就涉及到誰是「操做對象」，和「如何找到操做對象」，「對操做對象進行什麼操做」，這些問題上來。3. 指令的功能是經過CPU中功能邏輯電路來實現的，以前的「指令設計」決定了如何進行「邏輯電路設計」。而相同的指令能夠採起不一樣的邏輯電路設計。4. 由於「指令集」自己沒有功能性，因此在CPU中你不能找到「指令集」這個實體，可是指令集中的指令與CPU的內部晶體管組成的邏輯電路是等價的（除了指令部分還有中斷，外設等這些暫不考慮），那麼非要化等價的話，就是實現指令集中各指令的總體晶體管邏輯電路。5. 若是你非要在沒給出指令集的CPU來找到它的指令集的話，你能夠經過修改PC指向的下一條指令的內容，並觀察內存及各寄存器的變化，來試探每條指令編碼的功能（這顯然沒有什麼實際價值）（你能夠用這種方法去理解指令的功能）。