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CPU 是如何执行一条指令的?

古老的 Intel8086 处理器

8086 是 Intel 公司的第一款 16 位处理器,诞生于 1978 年,应该比各位小伙伴的年龄都大一些。

在 Intel 公司的所有处理器中,它占有很重要的地位,是整个 Intel 32 位架构处理器(IA-32)的开山鼻祖

那么,问题来了,什么叫 16 位的处理器?

有些人会把处理器的位数与地址总线的位数搞混在一起!

我们知道,CPU 在访问内存的时候,是通过地址总线来传送物理地址的。

8086 CPU 有 20 位的地址线,可以传送 20 位地址。

每一根地址线都表示一个 bit,那么 20 个 bit 可以表示的最大值就是 2 的 20 次方

也就是说:最大可以定位到 1M 地址的内存,这称作 CPU 的寻址能力

但是,8086 处理器却是 16 位的,因为:

  1. 运算器一次最多可以处理 16 位的数据;

  2. 寄存器的最大宽度为 16 位;

  3. 寄存器和运算器之间的通路为 16 位;

也就是说:在 8086 处理器的内部,能够一次性处理、传输、暂时存储的最大长度是 16 位,因此,我们说它是 16 位结构的 CPU

主存储器是什么?

计算机的本质就是对数据的存储和处理,那么参与计算的数据是从哪里来的呢?那就是一个称作 存储器(Storage 或 Memory)的物理器件。

从广义上来说,只要能存储数据的器件都可以称作存储器,比如:硬盘、U盘等。

但是,在计算机内部,有一种专门与 CPU 相连接,用来存储正在执行的程序和数据的存储器,一般称作内存储器或者主存储器,简称:内存或主存

内存按照字节来组织,单次访问的最小单位是 1 个字节,这是最基本的存储单元

每一个存储单元,也就是一个字节,都对应着一个地址,如下图所示:

CPU 就通过地址总线来确定:对内存中的哪一个存储单元中的数据进行访问。

第 1 个字节的地址是 0000H,第 2 个字节的地址是 0001H,后面以此类推。

图中的这个内存,最大存储单元的地址是 FFFFH,换算成十进制就是 65535,因此这个内存的容量是 65536 字节,也就是 64 KB

这里有一个原子操作的问题可以考虑一下。

在 Linux 内核代码中,很多地方使用了原子操作,比如:互斥锁的实现代码。

为什么原子操作需要对变量的类型限制为 int 型呢?这就涉及到对内存的读写操作了。

尽管内存的最小组成单位是字节,但是,经过精心的设计和安排,不同位数的 CPU,能够按照字节、字、双字进行访问。

换句话说,仅通过单次访问,16 位处理器就能处理 16 位的二进制数,32 位处理器就能处理 32 位的二进制数。

寄存器是什么?

在 CPU 内部,一些都是代表 0 或 1 的电信号,这些二进制数字的一组电信号出现在处理器内部线路上,它们是一排高低电平的组合,代表着二进制数中的每一位。

在处理器内部,必须用一个称为寄存器的电路把这些数据锁存起来。

因此,寄存器本质上也属于存储器的一种。只不过它们位于处理器的内部CPU 访问寄存器比访问内存的速度更快。

处理器总是很忙的,在它操作的过程中,所有数据在寄存器里面只能是临时存在一小会,然后再被送往别处,这就是为什么它被叫做“寄存器”

8086 中的寄存器都是 16 位的,可以存放 2 个字节,或者说 1 个字。字节在前(bit8 ~ bit15),字节在后(bit0 ~ bit7)。

8086 中有下面这些寄存器:

刚才说了,这些寄存器都是 16 位的。由于需要与以前更古老的处理器兼容,其中的 4 个寄存器:AX、BX、CX、DX 还可以当成 2 个 8 位的寄存器来使用。

比如:AX 代表一个 16 位的寄存器,AH、AL 分别代表一个 8 位的寄存器。

mov AX, 5D  表示把 005D 送入 AX 寄存器(16 位)
mov AL, 5D  表示把 5D 送入 AL 寄存器(8 位)

三个总线

当我们启动一个应用程序的时候,这个程序的代码和数据都被加载到物理内存中。

CPU 无论是读取指令,还是操作数据,都需要与内存进行信息的交互:

  1. 确定存储单元的地址(地址信息);

  2. 器件的选择,读或写的命令(控制信息);

  3. 读或写的数据(数据信息);

在计算机中,有专门连接 CPU 和其他芯片的数据,称为总线

从逻辑上来分类,包括下面 3 种总线:

地址总线:用来确定存储单元的地址;
控制总线: CPU 对外部器件进行控制;
数据总线: CPU 与内存或其他器件之间传送数据;

8086 有 20 根地址线,称作地址总线的宽度,它可以寻址 2 的 20 次方个内存单元。

同样的道理,8086 数据总线的宽度是 16,也就是一次性可以传送 16 bit 的数据。

控制总线决定了 CPU 可以对外进行多少种控制,决定了 CPU 对外部器件的控制能力

CPU 如何对内存进行寻址?

在 Linux 2.6 内核代码中,编译器产生的地址叫做虚拟地址(也称作:逻辑地址),这个逻辑地址经过段转换之后,变成线性地址,线性地址再经过分页转换,就得到最终物理内存上的物理地址

还记得文章开头的那张段描述符的表格吗?

其中的代码段和数据段描述符的起始地址都是 0x00000000,也就是说: 在数值上虚拟地址和转换后的线性地址是相等的(稍后就会明白为什么是这样)。

我们再来看看一下 8086 中更简单的地址转换。

刚才说到,内存是一个线性的存储器件,CPU 依赖地址来定位每一个存储单元。

对于 8086 CPU 来说,它有 20 根地址线,可以传送 20 位地址,达到 1MB 的寻址能力。

但是 8086 又是 16 位的结构,在内部一次性处理、传输、暂时存储的地址只有 16 位

从内部结构来看,如果将地址从内部简单的发出到地址总线上,只能送出 16 位的地址,这样的话,寻址能力只有 64KB

那么应该怎么才能充分利用 20 根地址线呢?

8086 CPU 采用: 在内部使用两个 16 位地址合成的方法,来形成一个 20 位的物理地址,如下所示:

第一个 16 位的地址称为段地址,第二个 16 位的地址称为偏移地址

地址加法器采用下面的这个公式,来“合成”得到一个 20 位的物理地址

物理地址 = 段地址 x 16 + 偏移地址

例如:我们编写的程序,在加载到内存中之后,放在一个内存空间中。

CPU 在执行这些指令的时候,把 CS 寄存器当做寄存器,把 IP 寄存器当做偏移寄存器,然后计算 CS x 16 + IP 的值,就得到了指令的物理地址

从以上的描述中可以看出:8086 CPU 似乎是因为寄存器无法直接输出 20 位的物理地址,不得已才使用这样的地址合成方式。

其实更本质的原因是:8086 CPU 就是想通过 基地址 + 偏移量 的方式来对内存进行寻址(这里的基地址,就是段地址左移 4 位)。

也就是说,即使 CPU 有能力直接输出一个 20 位的地址,它仍然可能会采用 基地址 + 偏移量的方式来进行内存寻址。

想一下:我们在 Linux 系统中编译一个库文件的时候,一般都会在编译选项中添加 -fPIC 选项,表示编译出来的动态库是地址无关的,在被加载到内存时需要被重定位。

而基地址+偏移量的寻址模式,就为重定位提供了底层支撑

我们是如何控制 CPU 的?

CPU 其实是一个很纯粹、很呆板的一个东西,它唯一做的事情就是:到 CS:IP 这两个寄存器指定的内存单元中取出一条指令,然后执行这条指令:

当然了,还需要预先定义一套指令集,在内存中的指令区中,存储的都必须是合法的指令,否则 CPU 就不认识了。

每一条指令都是用某些特定的数(指令码)来指示 CPU 进行特定的操作。

CPU 认识这些指令,一看到这些指令码,CPU 就知道这个指令码后面还有几个字节的操作数、需要进行什么样的操作。

例如:指令码 F4H 表示让处理器停机,当 CPU 执行这条指令的时候,就停止工作。

(其实这里说 CPU 已经有点不准确了,因为 CPU 是囊括了很多器件的一个整体,也许这里说 CPU 中的执行单元会更准确些。)

另外有一点可以提前说一下:内存中的一切都是数据,至于把其中的哪一部分数据当做指令来执行,哪一部分数据当做被指令操作的“变量”,这完全是由操作系统的设计者来规划的。

在 8086 处理器的层面来说,只要是 CS:IP “指向”的内存区域,都被当做指令来执行。

从以上描述可以看出:在 CPU 中,程序员能够用指令读写的器件只有寄存器,我们可以通过改变寄存器中的内容,来实现对 CPU 的控制。

更直白的说就是:我们可以通过改变 CS、IP 寄存器中的内容,来控制 CPU 执行目标指令。

作为一名合格的嵌入式开发者,大家估计都配置过一些单片机里的寄存器,以达到一些功能定义、端口复用的目的,其实这些操作,都可以看做是我们对 CPU 的控制。

如果把 CPU 比作木偶,那么 寄存器就是控制木偶的绳索

我们再把 CPU 与 工控领域的 PLC 编程进行类比一下。

我们在拿到一个新的 PLC 设备之后,其中只有一个运行时(runtime),这个运行时执行的本职工作就是:

  1. 扫描所有的输入端口,锁存在输入映象区;

  2. 执行一个运算、控制逻辑,得到一些列输出信号,锁存到输出映象区;

  3. 把输出映象区的信号,刷新到输出端口;

在一个全新的 PLC 中,其中第 2 个步骤中需要的运算、控制逻辑可能就不存在。

因此,单单一个 runtimePLC 是无法完成一件有意义的工作的。

为了让 PLC 完成一个具体的控制目标,我们还需要利用 PLC 厂家提供的上位机编程软件,开发一个运算、控制逻辑程序,编程语言一般都是梯形图居多。

当这个程序被下载到 PLC 中之后,它就可以控制运行时来做一些有意义的工作了。

我们可以简单的认为:梯形图就是用来控制 PLC 的运行时

对于 CPU 来说,想让它执行某个内存单元的指令,只要修改寄存器 CS 和 IP 即可。

换句话说:只要对一个程序的内存布局足够的清楚,可以把 CPU 玩弄于股掌之间,让它执行哪里的代码都可以。

CPU 执行指令流程

现在我们已经明白了地址转换、内存的寻址,距离 CPU 执行一条指令需要的最小单元还剩下:指令缓冲区和控制电路

简单来说:指令缓冲区用来缓存从内存中读取的指令,控制电路用来协调各种器件对总线等资源的使用。

对于下面这张图来说,它一共有 4 条指令:

第一条指令来举例,它一共经过 5 个步骤:

  1. 把 CS:IP 内容送入地址加法器,计算得到 20 位的物理地址 20000H;

  2. 控制电路把 20 位的地址,送入到地址总线;

  3. 内存中 20000H 单元处的指令 B8 23 01,经过数据总线被送到指令缓冲区;

  4. 指令偏移寄存器 IP 的值要加 3,指向下一条等待被执行的偏移地址(因为指令码 B8 代表当前指令的长度是 3 个字节);

  5. 执行指令缓冲区中的指令: 把数值 0123H 送入寄存器 AX 中;

以上就是一条指令的执行最基本步骤,当然,现代处理器的指令执行流程,比这里的要复杂的多得多。

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