注：本系列内容为阅读《程序是怎样跑起来的》书籍后的记录笔记，部分内容参考于书中，转载请注明出处。

第一章 CPU是什么

1.1 CPU构成

CPU构成：CPU是由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部分构成。

• 寄存器：可用来暂存指令、数据等处理对象，可以将其看做是内存的一种。
• 控制器：负责把内存上的指令、数据等读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。
• 运算器：负责运算从内存读入寄存器的数据。
• 时钟：负责发出CPU开始计时的时钟信号。（部分CPU的时钟位于CPU外部）

CPU简易工作流程：程序启动后，根据时钟信号，控制器会从内存（DRAM）中读取指令和数据。通过对这些指令加以解释和运行，运算器就会对数据进行运算，控制器根据该运算结果来控制计算机。

词条解释：

• 高级编程语言：能够使用类似于人类语言语法来记述的语言，如BASIC、C、C++、OC等
• 低级编程语言：与高级编程语言相对，包括机器语言和汇编语言。
• 汇编语言：采用助记符来编写程序的语言，有时也称之为汇编。
• 助记符：通常为指令功能的英文单词的简写，比如mov和add分别是数据的存储（move）和相加（addition）的简写。
• 汇编：通常将汇编语言编写的程序转化成机器语言的过程称之为汇编。
• 反汇编：机器语言程序转化成汇编语言程序的过程则称之为反汇编。
• 编译：将使用高级编程语言编写的程序转换为机器语言的过程。

1.2 寄存器的重要性

对于程序员来说，CPU可以看做是具有各种功能的寄存器的集合体。
寄存器种类：

• 累加寄存器：只有一个，存储执行运算的数据和运算后的数据。
• 标志寄存器：只有一个，存储运算处理后的CPU的状态。
• 程序计数器：只有一个，存储下一条指令所在内存的地址。
• 栈 寄 存 器 ：只有一个，存储栈区域的起始地址。
• 指令寄存器：只有一个，存储指令。CPU内部使用，程序员无法通过程序对该寄存器进行读写操作。
• 基址寄存器：多个，存储数据内存的起始地址。
• 变址寄存器：多个，存储基址寄存器的相对地址。
• 通用寄存器：多个，存储任意数据。

词条解释：
溢出：是指运算的结果超出了寄存器的长度范围。

1.3 程序计数器

程序计数器决定着程序的执行流程。
CPU每执行一个指令，程序计数器的值就会加1，然后CPU的控制器就会参照程序计数器的数值，从内存中读取命令并执行。

1.4 条件分支和循环分支

程序的流程分为顺序执行、条件分支和循环三种。

• 顺序执行：按照命令地址内容的顺序执行指令。每次执行一个指令程序，程序计数器的值就自动加1。
• 条件分支：是指根据条件执行任意命令地址的指令。程序计数器执行跳转指令，程序计数器的值指向任意指定值。
• 循环执行：是指重复执行同一命令地址的指令。程序计数器执行跳转指令，程序计数器的值指向任意指定值。

CPU在进行运算时，标志寄存器的值会根据运算结果自动设定。条件、循环分支在跳转指令前会比较运算，是否执行跳转指令，由CPU在参考标志寄存器的数值后进行判断。
运算结果的正、负和零三种状态是由标志寄存器的三个位表示。
以32位CPU（寄存器的长度是32位）的标志寄存器为例，如图：

标志寄存器.png

CPU的比较机制，就是一个数减去另一个数，然后将结果保存到标志寄存器中。

1.5 函数的调用机制

为了处理在函数内部处理完成后，处理流程（程序计数器）能够再返回到函数调用点继续执行，机器语言采用的是call指令和return指令。
在将函数的入口地址设定到程序计数器之前，call指令会把调用函数后要执行的指令的地址存储在栈内存中。函数处理完毕后，再通过函数的出口来执行return指令，把存储在栈中的指令地址设定到程序计数器中。

1.6 通过地址和索引实现数组

数组的实际地址 = 基址寄存器（固定） + 变址寄存器（变化）
1000 0000 = 1000 0000 + 0000 0000
1000 0001 = 1000 0000 + 0000 0001
1000 0002 = 1000 0000 + 0000 0002

变址寄存器相当于高级编程语言中数组的索引功能。

1.7 机器语言的指令

机器语言指令的主要类型和功能：