|
一、計算機(jī)程序
要明白程序是如何被計算機(jī)所執(zhí)行的，首先要明白什么是程序？先看看一下幾個問題:
程序的概念？
程序（program）是為實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)或解決特定問題而用計算機(jī)語言編寫的命令序列的集合。為實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的而進(jìn)行操作的一系列語句和指令。一般分為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序兩大類。 程序由什么組成？
程序由數(shù)據(jù)和指令組成。 什么是機(jī)器語言？
機(jī)器語言是直接用二進(jìn)制代碼指令表達(dá)的計算機(jī)語言，指令是用0和1組成的一串代碼，它們有一定的位數(shù)，并分成若干段，各段的編碼表示不同的含義。 運(yùn)行中的程序存儲在什么位置？
程序加載時首先到寄存器中，寄存器會將程序復(fù)制到內(nèi)存中從而進(jìn)行存儲，，當(dāng)程序運(yùn)行時，CPU會把主從的程序的數(shù)據(jù)和指令調(diào)用到寄存器特定的位置，從而執(zhí)行。 什么是內(nèi)存地址？
內(nèi)存地址指系統(tǒng) RAM 中的特定位置，通常以十六進(jìn)制的數(shù)字表示，如同計算機(jī)內(nèi)部特定位置的編號。 程序的解釋和運(yùn)行的計算機(jī)部件叫什么？
CPU的控制器是計算機(jī)的指揮中心，負(fù)責(zé)決定執(zhí)行程序的順序,給出執(zhí)行指令時機(jī)器各部件需要的操作控制命令.，程序的解釋和運(yùn)行也是由CPU的控制器來完成。
程序=指令+數(shù)據(jù)
二、程序的執(zhí)行過程
當(dāng)我們輸入以下程序，編譯運(yùn)行，計算機(jī)從屏幕輸出hello, world!。整個過程計算機(jī)都怎么運(yùn)作的呢？
#include <stdio.h>
void main()
{
printf("hellow,world!\n");
}
計算機(jī)內(nèi)部存儲的是0和1，計算機(jī)通過位信息以及上下文來解讀這些0、1信息的。
hellow,world是由0和1組成的序列，將這些程序代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的文本字符，每8位表示一個字節(jié)，用來存儲一個字符。
hellow,world的ASCII碼表示
因?yàn)槲覀冚斎氲膆ellow,world是人可以閱讀和編寫的，但是機(jī)器并不能直接識別他們，我們需要把這些文字翻譯成機(jī)器可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，這一部分的工作是由編譯系統(tǒng)完成的。編譯系統(tǒng)由預(yù)處理器、編譯器、匯編器、連接器四部分組成。以hello, world程序?yàn)槔?，各部分共同完成將源文件編譯成二進(jìn)制可執(zhí)行文件。各個部分完成的具體工作如下：
預(yù)處理器：根據(jù)以#開頭的命令,將包含的頭文件加載進(jìn)入源程序源程序。預(yù)處理器讀取系統(tǒng)頭文件stdio.h中的內(nèi)容，代替此行內(nèi)容。源程序經(jīng)過預(yù)處理后，得到另一個c程序，此程序通常以.i為后綴保存。 編譯器：將預(yù)處理后的.i文件轉(zhuǎn)換成匯編程序。編譯器將不同的高級語言(如c語言，C++語言)轉(zhuǎn)換成嚴(yán)格一致的匯編語言格式進(jìn)行輸出。匯編語言以標(biāo)準(zhǔn)的文本格式確切的描述每機(jī)器語言指令。編譯器得到的文件通常以.s為后綴保存。 匯編器：將匯編語言(.s文件)翻譯成機(jī)器語言指令，并將這些指令打包成一種可定位目標(biāo)程序格式。匯編后得到的文件即為二進(jìn)制文件，通常以.o為后綴。 鏈接器：hello, world程序中調(diào)用過printf函數(shù)，它是一個c標(biāo)準(zhǔn)庫里的函數(shù)。Printf函數(shù)存放在一個名為printf.o的單獨(dú)預(yù)編譯的文件中。而這個文件必須以適當(dāng)?shù)姆绞讲⑷氲轿覀兊某绦蛑?，這個工作由鏈接器完成。將外部的.o文件并入后，得到一個完整的hello, world可執(zhí)行文件?？蓤?zhí)行文件加載到存儲器后，由系統(tǒng)復(fù)制執(zhí)行。
程序加載進(jìn)入CPU的過程
 Shell:命令行解釋器，當(dāng)用戶輸入一行命令后，shell先判斷它是不是一個shell內(nèi)置命令，如果不是，shell會假定用戶輸入為一個可執(zhí)行文件的名字，從而去加載并執(zhí)行該文件。因此，當(dāng)我們通過編譯系統(tǒng)將源文件編譯成可執(zhí)行二進(jìn)制文件后，在shell中輸入我們得到的可執(zhí)行二進(jìn)制文件名，shell將其從磁盤中加載到主存當(dāng)中，通過CPU進(jìn)行解釋運(yùn)行，最終通過終端設(shè)備（屏幕）將他顯示出來,程序運(yùn)行結(jié)束。 主存儲器：簡稱主存，是處理器執(zhí)行程序時用于臨時存放程序及其數(shù)據(jù)。主存由一組動態(tài)隨機(jī)存儲器芯片組成。 運(yùn)算器：計算機(jī)中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作的部件。 控制器： 計算機(jī)中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作的部件。
三、CPU的組成
CPU是由四大部分所構(gòu)成的：寄存器、控制器、運(yùn)算器、時鐘。
- 寄存器
- CPU內(nèi)部的內(nèi)存，程序加載進(jìn)CPU內(nèi)部的寄存器中從而被用來解釋和運(yùn)行。
- 控制器
- 計算機(jī)的指揮中心，負(fù)責(zé)決定執(zhí)行程序的順序,給出執(zhí)行指令時機(jī)器各部件需要的操作控制命令。
- 運(yùn)算器
- 計算機(jī)中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作的部件。
- 時鐘
- 它是處理操作的最基本的單位，影響著指令的取出和執(zhí)行時間。
CPU中的主要寄存器
累加寄存器（AC） ：主要進(jìn)行加法運(yùn)算。
標(biāo)志寄存器（PSW) ：記錄狀態(tài)，做邏輯運(yùn)算。
程序計數(shù)器（PC） ：是用于存放下一條指令所在單元的地址的地方。
基質(zhì)寄存器（BX） ：儲存當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)存開始的位置。
變址寄存器 ：儲存基質(zhì)寄存器的相對位置。
通用寄存器（GPRs） :支持有所的用法。
指令寄存器（IR） ：CPU專用，儲存指令。
堆棧寄存器（SP） ：記錄堆棧的起始位置。
寄存器寄存器是中央處理器內(nèi)主要組成結(jié)構(gòu)成分，它是CPU當(dāng)中有限存貯容量的高速存貯部件，它在工作時能將計算機(jī)指令數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時的存儲。
內(nèi)存地址=基質(zhì)+變址
處理器讀取并解釋存儲在存儲器中的指令
處理器的操作主要是圍繞程序計數(shù)器、算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元、主存來進(jìn)行運(yùn)作的。處理器首先從PC所指向的主存存儲單元讀取指令，解釋指令中的位，執(zhí)行該指令指示的簡單操作，然后更新PC寄存器，使其指向下一條要執(zhí)行的指令。CPU會執(zhí)行的操作有：
加載：把一個字節(jié)或一個字從主存復(fù)制到寄存器，覆蓋掉寄存器中原來的值。 存儲：把一個字節(jié)或一個從寄存器復(fù)制到主存，并覆蓋主存中原來的值。 操作：把兩個寄存器的內(nèi)容復(fù)制到ALU，ALU對兩個字做算術(shù)運(yùn)算后存回其中的一個寄存器，該寄存器中原來的值會被覆蓋。 跳轉(zhuǎn)：從cpu執(zhí)行的指令抽取一個字的內(nèi)容存入PC，覆蓋掉原來的值，從而改變下一條要執(zhí)行的指令，達(dá)到跳轉(zhuǎn)的目的。
hellow,world程序首先被加載，從磁盤中復(fù)制到寄存器中，寄存器將hwllow,world程序復(fù)制到主存中進(jìn)行存儲。程序運(yùn)行過程中，CPU執(zhí)行hellow,world機(jī)器指令，指令的結(jié)果是將”hellow,world”字符由內(nèi)存復(fù)制到寄存器，寄存器再將結(jié)果復(fù)制到顯示設(shè)備上顯示出來。
|
