摘要：在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器和程序計(jì)數(shù)器。這條指令的第一個(gè)操作數(shù)，代表累加寄存器在中央處理器中，累加器是一種寄存器，用來(lái)儲(chǔ)存計(jì)算產(chǎn)生的中間結(jié)果。第二個(gè)操作數(shù)則是進(jìn)制的的表示。

CPU執(zhí)行的也不只是一條指令，一般一個(gè)程序包含很多條指令

因?yàn)橛衖f…else、for這樣的條件和循環(huán)存在，這些指令也不會(huì)一路平直執(zhí)行下去。

一個(gè)計(jì)算機(jī)程序是怎么被分解成一條條指令來(lái)執(zhí)行的呢

CPU里差不多幾百億個(gè)晶體管

實(shí)際上，一條條計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行起來(lái)非常復(fù)雜

好在CPU在軟件層面已經(jīng)為我們做好了封裝

對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，我們只要知道，寫(xiě)好的代碼變成了指令之后，是一條一條順序執(zhí)行

不管幾百億的晶體管的背后是怎么通過(guò)電路運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)的

邏輯上，我們可以認(rèn)為，CPU其實(shí)就是由一堆寄存器組成的

而寄存器就是CPU內(nèi)部，由多個(gè)觸發(fā)器（Flip-Flop）或者鎖存器（Latches）組成的簡(jiǎn)單電路。

觸發(fā)器和鎖存器，其實(shí)就是兩種不同原理的數(shù)字電路組成的邏輯門(mén)
如果想要深入學(xué)習(xí)的話，可以學(xué)習(xí)數(shù)字電路的相關(guān)課程

N個(gè)觸發(fā)器或者鎖存器，就可以組成一個(gè)N位（Bit）的寄存器，能夠保存N位的數(shù)據(jù)

比方說(shuō)，我們用的64位Intel服務(wù)器，寄存器就是64位的

CPU里有很多種不同功能的

寄存器（Register），是中央處理器內(nèi)的其中組成部分。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計(jì)數(shù)器。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器。

在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)里，處理器中的寄存器是少量且速度快的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，借由提供快速共同地訪問(wèn)數(shù)值來(lái)加速計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)行：典型地說(shuō)就是在已知時(shí)間點(diǎn)所作的之計(jì)算中間的數(shù)值。

寄存器是存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中的最頂端，也是系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)的最快速途徑。寄存器通常都是以他們可以保存的比特?cái)?shù)量來(lái)估量，舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)8位寄存器或32位寄存器。寄存器現(xiàn)在都以寄存器數(shù)組的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是他們也可能使用多帶帶的觸發(fā)器、高速的核心存儲(chǔ)器、薄膜存儲(chǔ)器以及在數(shù)種機(jī)器上的其他方式來(lái)實(shí)現(xiàn)出來(lái)。

這個(gè)名詞通常都用來(lái)意指由一個(gè)指令之輸出或輸入可以直接索引到的寄存器組群。更適當(dāng)?shù)氖欠Q他們?yōu)椤凹軜?gòu)寄存器”。例如，x86指令集定義八個(gè)32位寄存器的集合，但一個(gè)實(shí)現(xiàn)x86指令集的CPU可以包含比八個(gè)更多的寄存器。

亦稱指令地址寄存器（Instruction Address Register）

存放下一條需要執(zhí)行的計(jì)算機(jī)指令的內(nèi)存地址

存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令

用里面的一個(gè)一個(gè)標(biāo)記位（Flag），存放CPU進(jìn)行算術(shù)或者邏輯計(jì)算的結(jié)果

CPU里面還有更多用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和內(nèi)存地址的寄存器

這樣的寄存器通常一類里面不止一個(gè)

通常根據(jù)存放的數(shù)據(jù)內(nèi)容來(lái)給它們?nèi)∶?，比?/p>

常量寄存器

用來(lái)持有只讀的數(shù)值（例如0、1、圓周率等等）。由于“其中的值不可更改”這一特殊性質(zhì)，這些寄存器未必會(huì)有實(shí)體的硬件電路相對(duì)應(yīng)，例如將從零常數(shù)寄存器讀的操作實(shí)現(xiàn)為接通目標(biāo)寄存器的下拉電阻。
一般而言，即使真正在硬件中放置常數(shù)寄存器也未必會(huì)是出于體系結(jié)構(gòu)理論上的考慮，而很可能是由硬件描述語(yǔ)言為了簡(jiǎn)化操作而自動(dòng)生成的電路

整數(shù)寄存器

用來(lái)存儲(chǔ)整數(shù)數(shù)字（參考以下的浮點(diǎn)寄存器）。在某些簡(jiǎn)單（或舊）的CPU，特別的數(shù)據(jù)寄存器是累加器，作為數(shù)學(xué)計(jì)算之用。

浮點(diǎn)數(shù)寄存器（FPRs）

用來(lái)存儲(chǔ)浮點(diǎn)數(shù)字。

向量寄存器

用來(lái)存儲(chǔ)由向量處理器運(yùn)行SIMD指令所得到的數(shù)據(jù)。

地址寄存器

持有存儲(chǔ)器地址，以及用來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)器。在某些簡(jiǎn)單/舊的CPU里，特別的地址寄存器是索引寄存器（可能出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)）。

有些寄存器既可以存放數(shù)據(jù)，又能存放地址，我們就叫它通用寄存器（GPRs）。

程序執(zhí)行的時(shí)候，CPU會(huì)

根據(jù)PC寄存器里的地址

從內(nèi)存里面把需要執(zhí)行的指令讀取到指令寄存器里面執(zhí)行

然后根據(jù)指令長(zhǎng)度自增

開(kāi)始順序讀取下一條指令

可以看到，一個(gè)程序的一條條指令，在內(nèi)存里是連續(xù)保存的，也會(huì)一條條順序加載

而有些特殊指令，比如上一講我們講到J類指令，也就是跳轉(zhuǎn)指令，會(huì)修改PC寄存器里面的地址值

這樣，下一條要執(zhí)行的指令就不是從內(nèi)存里面順序加載的了

事實(shí)上，這些跳轉(zhuǎn)指令的存在，也是我們可以在寫(xiě)程序的時(shí)候，使用

if…else條件語(yǔ)句

while/for循環(huán)語(yǔ)句

的原因

我們現(xiàn)在就來(lái)看一個(gè)包含if…else的簡(jiǎn)單程序。

test.c

用rand生成了一個(gè)隨機(jī)數(shù)r(0/1)

當(dāng)r是0，我們把之前定義的變量a設(shè)成1

不然就設(shè)成2

我們把這個(gè)程序編譯成匯編代碼。你可以忽略前后無(wú)關(guān)的代碼，只關(guān)注于這里的if…else條件判斷語(yǔ)句

對(duì)應(yīng)的匯編代碼是這樣的

對(duì)于r == 0的條件判斷，被編譯成了cmp和jne兩條指令。

cmp指令比較了前后兩個(gè)操作數(shù)的值

DWORD PTR 代表操作的數(shù)據(jù)類型是32位的整數(shù)
rbp-0x4則是一個(gè)寄存器的地址
第一個(gè)操作數(shù)就是從寄存器里拿到的變量r的值
第二個(gè)操作數(shù)0x0就是我們?cè)O(shè)定的常量0的16進(jìn)制表示

cmp指令的比較結(jié)果，會(huì)存入到條件碼寄存器

狀態(tài)寄存器又名條件碼寄存器，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件——運(yùn)算器的一部分
狀態(tài)寄存器用來(lái)存放兩類信息：
一類是體現(xiàn)當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)果的各種狀態(tài)信息（條件碼），如有無(wú)進(jìn)位（CF位）、有無(wú)溢出（OF位）、結(jié)果正負(fù)（SF位）、結(jié)果是否為零（ZF位）、奇偶標(biāo)志位（P位）等
另一類是存放控制信息（PSW:程序狀態(tài)字寄存器），如允許中斷(IF位)、跟蹤標(biāo)志（TF位）等
有些機(jī)器中將PSW稱為標(biāo)志寄存器FR（Flag Register）。

如果比較結(jié)果 True，即 r == 0，就把零標(biāo)志條件碼（對(duì)應(yīng)的條件碼是ZF，Zero Flag）設(shè)置為1

條件碼是CPU根據(jù)運(yùn)算結(jié)果由硬件設(shè)置的位，體現(xiàn)當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)果的各種狀態(tài)信息
例如：算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生的正、負(fù)、零或溢出等的結(jié)果。條件碼可被測(cè)試，作為分支運(yùn)算的依據(jù)，此外，有些條件碼可被設(shè)置，例如對(duì)于最高位進(jìn)位標(biāo)志C，可用指令對(duì)它置位和復(fù)位。

Intel的CPU下還有

進(jìn)位標(biāo)志（CF，Carry Flag）

最近的操作使最高位產(chǎn)生了進(jìn)位。可以用來(lái)檢查無(wú)符號(hào)操作數(shù)據(jù)的溢出。

符號(hào)標(biāo)志（SF，Sign Flag）

最近的操作得到的結(jié)果為負(fù)數(shù)。

溢出標(biāo)志（OF，Overflow Flag）

最近的操作導(dǎo)致一個(gè)補(bǔ)碼溢出--正溢出或負(fù)溢出

用在不同的判斷條件下。

cmp指令執(zhí)行完成之后，PC寄存器會(huì)自增，開(kāi)始執(zhí)行下一條jne的指令

跟著的jne指令(jump if not equal)，它會(huì)查看對(duì)應(yīng)的零標(biāo)志位

如果為0，會(huì)跳轉(zhuǎn)到后面跟著的操作數(shù)4a的位置

4a，對(duì)應(yīng)匯編代碼的行號(hào)，也就是else條件里的第一條指令

當(dāng)跳轉(zhuǎn)發(fā)生，PC寄存器不再是自增變成下一條指令的地址，而被直接設(shè)置4a這個(gè)地址

這個(gè)時(shí)候，CPU再把4a地址里的指令加載到指令寄存器執(zhí)行。

跳轉(zhuǎn)到執(zhí)行地址為4a的指令，實(shí)際是一條mov指令

第一個(gè)操作數(shù)和前面的cmp指令一樣，是另一個(gè)32位整型的寄存器地址，以及對(duì)應(yīng)的2的16進(jìn)制值0x2

mov指令把2設(shè)置到對(duì)應(yīng)的寄存器里去，相當(dāng)于一個(gè)賦值操作

然后，PC寄存器里的值繼續(xù)自增，執(zhí)行下一條mov指令。

這條mov指令的第一個(gè)操作數(shù)eax，代表累加寄存器

在中央處理器中，累加器 (accumulator) 是一種寄存器，用來(lái)儲(chǔ)存計(jì)算產(chǎn)生的中間結(jié)果。如果沒(méi)有像累加器這樣的寄存器，那么在每次計(jì)算 (加法，乘法，移位等等) 后就必須要把結(jié)果寫(xiě)回到 內(nèi)存，也許馬上就得讀回來(lái)。然而存取主存的速度是比從算術(shù)邏輯單元到有直接路徑的累加器存取更慢。

第二個(gè)操作數(shù)0x0則是16進(jìn)制的0的表示。這條指令其實(shí)沒(méi)有實(shí)際的作用，它的作用是一個(gè)占位符

if條件如果滿足，在賦值的mov指令執(zhí)行完成之后，有一個(gè)jmp的無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令

跳轉(zhuǎn)的地址就是這一行的地址51

我們的main函數(shù)沒(méi)有設(shè)定返回值，而mov eax, 0x0 其實(shí)就是給main函數(shù)生成了一個(gè)默認(rèn)的為0的返回值到累加器里面

if條件里面的內(nèi)容執(zhí)行完成之后也會(huì)跳轉(zhuǎn)到這里，和else里的內(nèi)容結(jié)束之后的位置是一樣的。

上一講我們講打孔卡的時(shí)候說(shuō)到，讀取打孔卡的機(jī)器會(huì)順序地一段一段地讀取指令，然后執(zhí)行。

執(zhí)行完一條指令，它會(huì)自動(dòng)地順序讀取下一條指令

如果執(zhí)行的當(dāng)前指令帶有跳轉(zhuǎn)的地址，比如往后跳10個(gè)指令，那么機(jī)器會(huì)自動(dòng)將卡片帶往后移動(dòng)10個(gè)指令的位置，再來(lái)執(zhí)行指令

同樣的，機(jī)器也能向前移動(dòng)，去讀取之前已經(jīng)執(zhí)行過(guò)的指令

這也就是我們的while/for循環(huán)實(shí)現(xiàn)的原理。

如何通過(guò)if…else和goto來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)？

我們?cè)倏匆欢魏?jiǎn)單的利用for循環(huán)的程序。我們循環(huán)自增變量i三次，三次之后，i>=3，就會(huì)跳出循環(huán)。整個(gè)程序，對(duì)應(yīng)的Intel匯編代碼就是這樣的：

可以看到，對(duì)應(yīng)的循環(huán)也是用1e這個(gè)地址上的cmp比較指令

和緊接著的jle條件跳轉(zhuǎn)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的

主要的差別在于，這里的jle跳轉(zhuǎn)的地址，在這條指令之前的地址14，而非if…else編譯出來(lái)的跳轉(zhuǎn)指令之后

往前跳轉(zhuǎn)使得條件滿足的時(shí)候，PC寄存器會(huì)把指令地址設(shè)置到之前執(zhí)行過(guò)的指令位置，重新執(zhí)行之前執(zhí)行過(guò)的指令，直到條件不滿足，順序往下執(zhí)行jle之后的指令，整個(gè)循環(huán)才結(jié)束。

如果你看一長(zhǎng)條打孔卡的話，就會(huì)看到卡片往后移動(dòng)一段，執(zhí)行了之后，又反向移動(dòng)，去重新執(zhí)行前面的指令。

jle和jmp指令，有點(diǎn)像程序語(yǔ)言里面的goto命令，直接指定了一個(gè)特定條件下的跳轉(zhuǎn)位置

雖然我們?cè)谟酶呒?jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序的時(shí)候反對(duì)使用goto，但是實(shí)際在機(jī)器指令層面，無(wú)論是if…else…也好，還是for/while也好，都是用和goto相同的跳轉(zhuǎn)到特定指令位置的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

學(xué)習(xí)了程序里的多條指令，究竟是怎么樣一條一條被執(zhí)行的

除了簡(jiǎn)單地通過(guò)PC寄存器自增的方式順序執(zhí)行外

條件碼寄存器會(huì)記錄下當(dāng)前執(zhí)行指令的條件判斷狀態(tài)

然后通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令讀取對(duì)應(yīng)的條件碼

修改PC寄存器內(nèi)的下一條指令的地址

最終實(shí)現(xiàn)if…else以及for/while這樣的程序控制流程。

雖然我們可以用高級(jí)語(yǔ)言，可以用不同的語(yǔ)法，比如 if…else 這樣的條件分支，或者 while/for 這樣的循環(huán)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)不用的程序運(yùn)行流程

但是回歸到計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的機(jī)器指令級(jí)別，其實(shí)都只是一個(gè)簡(jiǎn)單的地址跳轉(zhuǎn)而已，也就是一個(gè)類似于goto的語(yǔ)句。

想要在硬件層面實(shí)現(xiàn)這個(gè)goto語(yǔ)句，除了本身需要用來(lái)保存下一條指令地址，以及當(dāng)前正要執(zhí)行指令的PC寄存器、指令寄存器外

我們只需要再增加一個(gè)條件碼寄存器，來(lái)保留條件判斷的狀態(tài)。這樣簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的三個(gè)寄存器，就可以實(shí)現(xiàn)條件判斷和循環(huán)重復(fù)執(zhí)行代碼的功能。

《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》的第3章

詳細(xì)講解了C語(yǔ)言和Intel CPU的匯編語(yǔ)言以及指令的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及Intel CPU的各種寄存器和指令集。

Intel指令集相對(duì)于之前的MIPS指令集要復(fù)雜一些

所有的指令是變長(zhǎng)的

從1個(gè)字節(jié)到15個(gè)字節(jié)不等

即使是匯編代碼，還有很多針對(duì)操作數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不同有不同的后綴

狀態(tài)寄存器

寄存器

條件碼

累加器

深入淺出計(jì)算機(jī)組成原理