《程序是怎样跑起来的》读书笔记1——对程序员来说CPU是什么

一丶什么是程序

程序是指令和数组的组合体，如:print("你好世界")，其中print是指令，你好世界是数据。

CPU能直接识别和执行的只有机器语言，使用C，java这种高级语言编写的程序需要编译转换后才可以运行。

二丶CPU的内部结构

CPU即中央处理器，相当于计算机的大脑，内部由许多晶体管构成，负责解释和运行最终转换成的机器语言程序。

寄存器：暂存指令和数据等处理对象。
控制器：负责把内存上指令，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到寄存器的数据
时钟：负责发起cpu开始计时的时钟信号，时钟信号频率单位为赫兹，频率越高CPU运算速度越快。

程序启动后，根据时钟信号，控制器会从内存中读取指令和数据，通过对这些指令加以解释和运行，运算器会对数据进行运算，控制器根据计算结果来控制计算机（控制：除了数据运算之外的处理，比如内存和磁盘等输入输出设备，显示器，打印机等的输出）

三丶寄存器

1.为什么需要寄存器

CPU 的运算速度远高于内存的读写速度，为了避免被拖慢，CPU 都自带一级缓存和二级缓存，但是数据在缓存中地址并不固定，cpu每次读写缓存都需要寻址，为了减少寻址的开销，最频繁读写的数据（比如循环变量），都会放在寄存器里面，CPU 优先读写寄存器，再由寄存器跟内存交换数据

2.从一段汇编开始了解寄存器

mov eax, dword ptr [ebp-8]  #将数值从内存赋值到eax寄存器

add eax, dword ptr [ebp-0ch] #eax的数值和内存的数值相加

mov eax, dword ptr [ebp-4],eax #把eax的数值（上一步计算的结果）存储到内存中

使用高级语言编写的程序在编译后转化为机器语言，机器语言基本上和汇编一一对应。

上面代码中 eax,ebp都是寄存器的名称，

种类	功能
累加寄存器	存储执行运算的数据和运算后的数据
标志寄存器	存储运算处理后cpu的状态
程序计数器	存储下一条指令所在的内存地址
基址寄存器	存储数据内存的起始地址
变址寄存器	存储基址寄存器的相对位置
通用寄存器	存储任意数据
指令寄存器	存储指令，cpu内部使用，程序员无法修改
栈寄存器	存储栈区域的起始地址

其中程序计数器，累加寄存器，标志寄存器，指令寄存器和栈寄存器只有一个，其他的寄存器一般存在多个。

对于程序员来说只需要理解寄存器的作用，cpu是一组寄存器的组合

3.程序计数器

程序启动后，操作系统会将硬盘中保存的程序复制到内存中，命令和数据通常被存储到多个地址上，操作系统在复制程序到内存的时候，会将程序计数器设定为起始位置，CPU每执行一个指令，程序计数器就会自动加上1，因此CPU会依据程序计数器的数值从内存读取命令并执行。

4.条件分支和循环机制是怎么实现的

条件分支和循环中使用跳转指令,需要参照当前执行的运算结果来判断是否跳转，其中标志寄存器会保存当前计算的结果，条件分支在跳转指令钱会进行比较运算，至于是否执行跳转指令，则由cpu参考标志计算器的内容后进行判断。

5.函数的调用机制

调用函数的本质是将程序计数器设置为函数的存储地址。不过这和条件循环分支不同，因为丹村的跳转指令没办法实现函数的调用，函数调用结束后需要回到原本的调用点。

机器语言使用call,return指令解决这个问题，调用函数使用call指令，call指令会将要执行的指令地址存储到栈内存中。

函数处理完毕后，再通过函数的出口执行return指令，return指令会将栈中地址设定到程序计数中。