cpu怎么执行进程（搞懂程序在CPU的执行过程）

高级程序语言和低级程序语言要想在CPU上执行，需要编译成机器码,因此搞懂程序语言在CPU的执行过程其实就是搞懂机器码在CPU的执行过程。

什么是机器码，我在一篇 的文章里做了介绍，这里不再阐述，有兴趣的同学可以阅读下那篇文章，下面的章节整体采用ARM CPU进行阐述，其他CPU如Inter,AMD过程比较类似。

先来了解下CPU的大致结构,如下图

CPU结构图

如上图所示用到了寄存器，控制单元，ALU,MPLX等,下面介绍下CPU的各个组件的功能。

内存地址寄存器(MAR)

保存了当前正在读或者正在写的内存地址

内存数据缓冲寄存器(MBR)

保存了当前刚从内存读出的数据或者准备要写入内存的数据

程序计数器(PC)

保存了下一条要执行的指令的内存地址

指令寄存器(IR)

保存了当前正在执行的指令

通用寄存器

寄存器r1-r8,存储临时的数据例如中间结果）

条件寄存器(CCR)

存储加减法过程中产生的各类标识，比如Z,N,C,V

Z表示当前运算结果为0

N表示当前运算结果为负数

C表示当前运算过程中产生过进位

V表示当前运算结果中产生了溢出

ZNCY例子

逻辑运算单元（ALU）

根据P,Q(MBR)，Q(立即数）中存储的值,进行一元或者二元运算，例如加法，减法,逻辑(ADD),逻辑(OR),逻辑(NOT),逻辑异或(XOR)等，并输出运算结果。

控制单元(CU)

解释执行指令寄存器的指令，它利用时钟脉冲信号和操作码生成控制计算机总线，存储器，寄存器等的信号，驱使数据在各个线路进行流动。

多路选择器(MPLX)

多路选择器用来控制写入程序计数器(PC)或者内存地址寄存器(MAR)的数据，根据输入数据，条件码，进行判断，计算出新的地址值后送入达到PC或者MAR

CPU执行机器指令分为3个阶段即取指，解码，执行

我们叙述机器码如何在CPU上执行，可以写一段简单的代码，通过这一段代码来解释整个执行过程，复杂的代码原理也是类似，只不过是反反复复地执行相同的操作罢了，下面为一段简单C语言代码

pos1: int x = 3; int y = 4; int z = x y; z = z - 7; if (z == 0) goto pos2 z=x 2 pos2: .............. ..............'

代码总体意思是x 和 y 相加 减去7，然后判断z的值，如果等于0,则跳转到pos2代码处,否则就继续往下执行

将该代码翻译成ARM CPU 机器码后，列出以下核心的代码

pos1: ADD r1,[r2],[r3] #将r2,r3寄存器中内存地址对应的数据相加传输给寄存器r1 SUBS r1,r1,#7 #将r1寄存器的内容即(z=x y)减去7，再存储回r1 BEQ 2013 #如果上一条指令的执行结果为0,则跳转到2013这个地址即pos2 ADD r1,[r2],#2 #将r2寄存器的内容加上2(x 2)，再存储回r1寄存器 pos2: ADD r4,[r5],[r6] #将r5,r6寄存器中内存地址对应的数据相加传输给寄存器r4

该机器码在内存中的分布图如下所示

首先操作系统将程序和数据加载到内存中，将程序的第一条指令的内存地址，写入到程序计数器(PC),然后CPU就开始不断地执行取值->解码-执行三个操作，直到程序结束。

上述程序，程序计数器存储的第一条指令地址为:1013

取指的意思就是从内存中获取指令，写入到指令寄存器中，执行过程如下(红色箭头部分)

a.首先从程序计数器(PC)获取指令地址，写入达到内存地址寄存器(MAR)

b.将程序计数器(PC) 4(按照32位系统，一个内存地址占4个字节)，从而指向下一个要执行的指令地址。

c.一个时钟周期到来后，根据内存地址寄存器(MAR)中的地址从内存中获取指令,读出指令后存储到内存数据缓冲寄存器(MBR)

d.从内存数据缓冲寄存器(MBR)将指令写入指令寄存器(IR)

解码过程由控制单元（CU）处理,解码过程比较复杂，不同的指令(操作码不同)解码过程不太一样，我们讲述常用的3类解码方式即操作数地址解码，立即数解码，分支地址解码。

控制单元可以根据指令类型和操作数区分出当前的解码类型，下面表格为内存中的指令和数据。

经过第一次取指后，当前各个寄存器中的值如下

操作数地址解码

操作数地址解码从寄存器中获取内存地址，将内存地址指向内容取出，写回到寄存器中，以ADD r1,[r2],[r3]为例,r2,r3中存储的是操作数的内存地址，解码过程就是需要获取r2,r3内存地址对应的内容，以r2获取操作数的过程为例,r3同r2是相同的过程，如下图

操作数地址解码过程

a.首先将操作数指向的内存地址写入到内存地址寄存器(MAR)

b.一个时钟周期到来后，根据内存地址寄存器(MAR)中的地址，读取数据后，存储到内存数据缓冲寄存器(MBR)

c.将内存数据缓冲寄存器的内容(MBR)写回到通用寄存器r2

ADD r1,[r2],[r3]解码后，当前各个寄存器的值如下

立即数解码

立即数解码不需要访问内容，它直接可以连接到算数逻辑单元(ALU)，从而将立即数写入到ALU（Q(立即数)端口），如指令SUBS r1,r1,#7的解码过程就是将立即数7送到ALU，如下图所示

立即数解码过程

立即数直接被送往了ALU(Q立即数）端口

分支地址解码

分支地址解码的过程是将条件码和操作数(跳转的地址）送往多路选择器的过程,如BEQ 2013 指令，将操作数内存地址2013和条件码送入到多路选择器中，如下图所示

分支地址解码过程

每个指令解码后，相当于把指令执行需要的数据都准备好了，执行过程就交给运算逻辑单元(ALU)和多路选择器(MPLX)进行处理。

运算逻辑单元(ALU)负责根据准备好的操作数进行运算，将结果进行输出，或者输出到寄存器作为临时结果，或者输出到内存中，以ADD r1,[r2],[r3]为例，它的执行过程将解码后的的操作数,也就是就是将r2和r3寄存器的值，输入到运算逻辑单元的P和Q(MBR)端口,然后通过f(P,Q)执行相加逻辑，输出到寄存器r1中，如下图所示:

运算逻辑单元执行过程

多路选择器负责根据条件码和跳转地址，在其内部进行判断，或者继续顺序执行下一条指令，或者跳转到指定的地址，以BEQ 2013为例，它将根据条件码中Z标识是不是为0，进行判断，如果为0，则跳转到2013，程序计数器的内容就变为了2013，否则继续执行下一条指令，如下图所示

多路选择器执行过程

上文中已经将运算结果写入到了寄存器,那么怎样写回内存呢，以ARM CPU 为例，通过STR 指令

STR r1, [r2] 该指令将r1寄存器的内容写回到r2指向的内存中(r2是个寄存器，里面的内容是内存地址），如下图

STR指令执行图

a.r2寄存器中的地址写入到内存地址寄存器(MAR)

b.寄存器的数据写入到内存数据缓冲寄存器(MBR)

c.内存数据缓冲寄存器(MBR)写会到内存。