代码是怎么在芯片运行起来的?
2021-06-10

    最近一位朋友问我,开发的代码是怎么在芯片运行起来的,我就开始给他介绍代码的预编译、汇编、编译、链接然后到一般的文件属性,再到代码运行。但是大佬问了我一句,CPU到底是怎么执行到每一个逻辑的,就讲了哈CPU的架构。这是时候真的有些迷了,虽然有模电数电的底子,但是自己都说迷糊了,汇编怎么对应到机器码再到怎么执行每一个逻辑。

    所以我想了想,我自己也重新学习整理一下,写一篇文章分享给自己也分享给大家。虽然网上也有很多人讲这个过程,我也想用自己的视角去介绍一下。所以我就花了三天时间把《CODE》这本书啃完,然后又看了哈Crash Course Computer Science的视频,现在终于可以写篇文章了。

1
CPU的硬件最小原子

    计算机从上世纪四十年代发展到现在有八十多年了,我们现在开发应用以及很少会涉及到底层的部分,硬件设计的电子专业在学校里面会学习模电数电这两门课,今天的第一部分就从这里说起。


一般我们不考虑物理的硬件底层的实现逻辑,但是为了后续的机器码的介绍,这里开始介绍CPU的基本组成部分。

    

    我们都知道现在的CPU是无数的晶体管组成,一块很小的CPU用显微镜观察可以看到上百万个元器件,那么最早电脑是啥样的呢?感谢Crash Course Computer Science的视频,下面有很好照片都是从她的视频中截取。以及感谢《CODE》,好多资料也是从此书得来。




最早的计算机,它有76万5千个组件,300多万个连接点和大约804公里长的用线,这个是真的大,而且它的核心控制还是用继电器实现控制逻辑的。




此外,它的性能相较于于现在的电脑来说简直微不足道。



    好了言归正传,我们直接介绍现在计算机中的CPU组成,之前用继电器、电子管进行控制计算,这些基本的元器件使得计算机体型庞大,后来半导体的出现,使得计算机的体积大大减小。没有使用半导体的时候,科学家使用继电器等进行控制电路的开关,控制电路电流的高和低,通过布尔代数组合形成我们现在经常说的逻辑门,继而实现数据的控制。

    


如上图所以它会出现如下情况

这其实就是一个简单开关的与门AND)电路,所有的变量输入是1的时候,输出才为1。相应的还有非门、或门、异或门等。


那么半导体是如何做到的呢?下面所示是三极管变化而成的与门(AND)电路,通过两个三极管连接(三极管的工作原理可以百度一哈),实现逻辑。


这是非门(NOT),输入1输出位0,输入位、为0输出为1.



这是或门(OR),只有A、B两个同时输入0的时候,输出才为0,其余都为1.


这是常用的逻辑门的图形表示以及真值表显示,最后一栏为真值表显示,其中A、B为输入,F为输出。


这些逻辑的组合我们可以变成最小的11位二进制逻辑的加法器,1bit的数据锁存器,再扩展为8位加法器,256M存储器。



2
CPU的模块组成过程

讲完了CPU组成的最小原子结构,接下来我们抽象出来了逻辑门进行


首先我们先介绍一下CPU的基本架构



一块完整可以执行程序CPU功能部件,里面有基本的ALU算数逻辑单元、控制单元、外部储存器(储存数据和程序)。


1970年发布的时候,它是第一个封装在单个芯片内完整的ALU。


ALU算数逻辑单元)有两个单元:一个算数单元(加法器),负责计算机里的所有数字操作,例如加减法、增量运算等;一个逻辑单元,负责一些简单的数值测试,例如检测ALU输出是否为零的的电路




加法器:

用单个晶体管一个个去拼,把这个电路做出来,到那时会很复杂很难理解。所以我们更高层面的抽象-逻辑门去实现(AND、OR、NOT、XOR)。


下面这是一个1位的加法器:





二进制数的“和”可以由异或门得到,而“进位”可以由与门得到,所以可以把异或门和与门结合起来来完成两个二进制数 A和B的加法 


AB只能输入0或者1,也就是这个加法器能算0+0,1+0或者1+1。


脱离具体的形状,我们可以把以上的一个加法器,抽象为一个符号用来显示:


然后我们在进行扩展,把八个全加器连接,这样就变成了一个8bit的加法器。每个全加器的进位输出都是下一个全加器的进位输入: 

用一个抽象的框图进行表示,其中输入是A和B标识为从A0~A7及B0~B7。输出为和输出,标识为从 S0~S7: 



这样我们就构造了一个简单8位的加法器。





逻辑单元:同样AND、OR、NOT、XOR的执行,如下图一个简单的判断输出是否为0的电路

它用一堆OR门检查其中一位是否为1,哪怕只有一个输入的bit(位)为1,但都会被被或门到最后一个NOT(非)门进行取反,所以只有输入的数字是0,输出才能是为1。

告诉ALU执行加减法,下面图片里面的的V代表ALU部分



通过ALU的FLAGS进行判断,下面有三个标志一个是OVERFLOW(操作超出了总线宽度,设置为true(1))、ZERO(运算结果是否为零)、NEGATIVE(运算结果第一位为1,则设置为true(1),表示为负数)




这就是ALU中的一些单元,其实也是一大堆逻辑门巧妙连到一起。



    此外我们还需要存储器(memory),如果ALU计算出来数据丢掉那么数据也没什么用了,所以需要内存把数据保存起来,与ALU一起组成CPU


之前的介绍都是单向顺序执行的电路,那有什么可以返回的电路呢,通过输出来控制影响输入。

进行AND 、NOT、OR组合,变成一个1位锁存器


输入STE为1,输出为1


输入RESTE为1,输出为0


如果设置和置位都为0,电路会输出最后放置的状态,所以它就保存住1bit位的数据

其中这样一个1位的锁存器,放入的动作叫做写,拿出数据的动作叫做读


为了好显示,我们使用再高一级别的抽象层,用下面的框图表示:


随着芯片锁存器大小的扩展,正常连接需要的线是非常之多,所以引入了矩阵方式:


    为了将地址转化成为行和列 还要用多路复用器,这就是一个基本的SDRAM的组成结构。


    SRAM DRAM FLASH NVRAM,大家功能上相似,但是用不同的电路储存单个bit的数据,比如使用不同的逻辑门、电容器、、电荷捕获或者忆阻器。但是根本上,这些技术都是矩阵层层嵌套,来储存大量的信息。



3
CPU的代码语言执行以及编程语言的变化过程


    通过不同的逻辑门,我们逐渐搭建起了CPU的硬件部分,同时也抽象到了高层次的“微体系架构”,我们开始告诉CPU的模块进行操作,CPU里面都是101二进制数据,那怎么和CPU执行指令挂上钩呢?


    最早执行机器使用就是穿孔卡片,通过穿孔卡片的特殊位置有没有穿孔,决定机器执行的不同步骤。


在计算机早期,程序员编程必须用机器码写程序,一般会在会在纸上写一个“高层次”的描述——伪代码,例如:从内存中获取当月销售额,再计算出税费。


这里展示一个简单范例代码,一段机器码 00101110。


首先这个机器码分为前四位和后四位,前四位代表操作码,后四位代表地址。


首先在指令表可以查到 0010 对应着执行指令是LOAD_A 意思为从内存地址取出数据,放到寄存器A中。


CPU看到00101110是怎么执行的呢?


首先CPU有两个执行时候的寄存器:

  1. 指令地址寄存器一个追踪器,负责追踪程序运行到哪里了;

  2. 指令寄存器,负责储存当前指令


其次,CPU执行指令有三个阶段: 取指令->解码->执行


取指令:负责把指令从RAM中复制到指令寄存器中


如下所示:CPU把0010 1110放到指令寄存器中


解码阶段:负责解析复制过来的指令对应到操作码是哪个执行,先解析0010

LOAD_A指令的工作:把RAM里面的值放入寄存器A中


再解析后四位1110,为地址14


接下来通过控制单元进行选择确认是否执行load指令


当然控制单元也是由逻辑门连接起来的,这个时候需要一个电路,检查操作码是不是LOAD_A对应的0010



执行阶段:当确认了执行的操作码,我们就开始执行


从地址1110(10进制14)读取出0000 0011的数据,  因为是LOAD_A指令,我们把该数据放进寄存器A,不操作其他寄存器


本次执行完成,然后我们就把“指令地址寄存器”+1,执行下一条命令,一直重复到代码结束。


    如果我们遇到了例如加减运算时候,就可以用到ALU了,数据寄存器把需要进行add的两个数据输入,然后在发送操作码给ALU,ALU开始执行最后输出到暂存的寄存器,关闭ALU,最后再把数据放入正确的寄存器


   除了执行动作,现代CPU还有时钟控制。很早的计算机都是用人工插拔来进行每一条指令的计算,但是对于现在的CPU执行频率来说,人工是做不到这样的速度,所以现在CPU里面有专门的时钟进行管理CPU的节奏,来告诉CPU要取指令-解码-执行。类似于练习乐器时候使用的节拍器一样。


    前面介绍程序运行时候我们是假设程序已经在内存里面了,但实际上程序储存的位置不在内存,并且需要在执行时候加载到内存里面。要内存足够,不仅可以储存要运行的程序,还可以存程序需要的数据,以及运行程序时候产生的新数据。


    不过早期编程都是专家活,不管是全职还是技术控,都需要非常了解底层硬件,要懂操作码、寄存器等才能写程序,所以编程很麻烦,哪怕是工程师和科学家都无法完全发挥计算机的能力


    所以程序员开发出了一种新语言,更高层次,更可读性,每个操作码分配一个简单的名字——助记符。助记符后面紧跟数据,形成完整的指令。这样程序员就不用0和1去写代码,可以用load jump等助记符开始编程,这就是汇编。前面我们讲过这些助记符,应该还是比较容易理解的。但是CPU是只能识别二进制的,所以程序员又写了二进制程序来帮忙,它可以读懂文字指令,自动转化成二进制指令,这个程序就叫做——汇编器。


    汇编器读取用汇编语言写的程序,然后转成机器码。LOAD_A 14 是一个典型的汇编代码。


发展到现在,就英特尔的CPU 酷睿i7有上千种指令和指令变种,长度从一个字节到15个字节。


    

FORTRAN,是IBM1957年发布的语言,而主持FORTRAN的项目的总监John Backus说,他只是因为懒,所以就开发了新的语言,是的大部分新程序的开发是因为更高效率的开发,把一个月的开发时间编程一周,在变成一天。

    就FORTRAN使用效果来说,确实也达到了,平均FORTRAN写的程序要比同等的汇编写的代码少二十倍。然后FORTRAN编译器会把FORTRAN代码转为机器码。


    然后陆续新的语言不断产生,60年代有ALGOL、LISP和BASIC等语言;70年代有Pascal、C和Smalltalk;80年代有C++、Objectivs-C和Perl;90年代有Python、Ruby和Java;2000开始出现Swift、C#、Go。未来语言还会越来越多,新的语言用新的平台和新的技术,让我们可以快速的开发使用。

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
热门推荐
  • 相关技术文库
  • C语言
  • 编程
  • 软件开发
  • 程序
  • 10种排序算法C语言展示

    以前也零零碎碎发过一些排序算法,但排版都不太好,又重新整理一次,排序算法是数据结构的重要部分,系统地学习很有必要。 排序算法 平均时间复杂度 最差时间复杂度 空间复杂度 数据对象稳定性 冒泡排序 O(n2) O(n2) O(1) 稳定 选择排序 O(n2) O(n2) O(1) 数

    05-11
  • 嵌入式驱动开发四个方向

    嵌入式大体分为以下四个方向: 一、嵌入式硬件开发:熟悉电路等知识,非常熟悉各种常用元器件,掌握模拟电路和数字电路设计的开发能力。熟练掌握嵌入式硬件知识,熟悉硬件开发模式和设计模式,熟悉ARM32位处理器嵌入式硬件平台开发、并具备产品开发经验。精通

    05-06
  • Python“常用”代码片段

    整理的一些“常用”代码片段,分享给大家。 1、冒泡排序 lis = [56,12,1,8,354,10,100,34,56,7,23,456,234,-58] def sortport(): for i in range(len(lis)-1): for j in range(len(lis)-1-i): if lis[j] > lis[j+1]: lis[j],lis[j+1] = lis[j+1],lis[j] retur

    05-06
  • 嵌入式术语中英文对照表

    ▎ A ASIC(专用集成电路) Application-Specific Integrated Circuit. A piece of custom-designed hardware in a chip. 专用集成电路。一个在一个芯片上定制设计的硬件。 address bus (地址总线) A set of electrical lines connected to the processor a

    05-07
  • C语言的十条杀手锏

    我们平常所说的执行效率就是使用相同的算法在相同输入条件下完成相同计算所产生的系统开销,目前来说一般会更多关注执行时间方面的开销。所有语言编写的代码最终要运行,都要转化成机器码。在更短的时间内完成相同的事那么效率就高。 下面说说如何提高C语言程

    04-30
  • Matlab用于二维图形绘制

    续上篇Matlab系列篇的二维图形,本篇将完成剩下二维图形部分篇章..... 交互式绘图 交互式绘图的意思就是可以使用鼠标对图形进行操作,具体的实现看待会的演示,首先了解几个会用到的函数:ginput、gtext和zoom,其中ginput只能用于二维图形绘制,另外两个还适

    04-28
  • 用Python 快速把物料编码快速匹配到BOM 里

    我们在处整理BOM时,有一件比较麻烦的工作,就是要从物料库里找到对应的元器件的物料编码并填入BOM中。我们通常的做法就是在物料库里每种物料逐一搜索,把对应的元器件的物料编码找出来,并填到BOM里。这种工作虽然没什么难度,但是如果BOM的元器件种类很多,

    04-21
  • 程序世界:线性代数是一种特定语言

    线性代数是什么? 在大学数学学科中,线性代数是最为抽象的一门课,从初等数学到线性代数的思维跨度比微积分和概率统计要大得多。很多人学过以后一直停留在知其然不知 其所以然的阶段,若干年之后接触图形编程或机器学习等领域才发现线性代数的应用无处不在,

    04-19
  • 一个故事讲什么是卷积

    引子 很多朋友和我一样,工科电子类专业,学了一堆信号方面的课,什么都没学懂,背了公式考了试,然后毕业了。 先说"卷积有什么用"这个问题。(有人抢答,"卷积"是为了学习"信号与系统"这门课的后续章节而存在的。我大吼一声,把他拖出去枪毙!) 讲一个故事:

    03-29
  • C语言函数为什么不能返回数组?

    C语言函数为什么不能返回数组? 在C语言程序开发中,我们不可以编写下面这样的代码: char f(void)[8] {char ret;// ...fill...return ret;}int main(int argc, char ** argv) {char obj_a[10]; obj_a = f();} 不可以编写这样的代码 这其实就是不能在C语言函

    03-15
  • 初学C语言,你的“行囊”需要准备什么呢?

    今天,我能够自称是一个混IT的人,并能以此谋生,将来大家能一次谋生,都要感谢两个人: 克劳德.香农和约翰.冯.诺依曼,是他们发现了所有的数字化信息,不论是一段程序,一封email,一部电影都是用一连串的1和0进行编码的; 是他们发现了我们可以利用一个预先

    03-15
  • 如何让ARM代码执行速度更快?

    通过一定的风格来编写C程序,可以帮助C编译器生成执行速度更快的ARM代码。下面就是一些与性能相关的关键点: 1.对局部变量、函数参数和返回值要使用signed和unsigned int类型。这样可以避免类型转换,而且可高效地使用ARM的32位数据操作指令。 2.最高效的循环

    03-12
下载排行榜
更多
广告
X
广告