CPU指令和运算
计算机指令
早期的计算机程序要使用打孔卡，而不能像我们现在一样，用 C 或者 Python这样的高级语言，这是为什么呢？
因为计算机或者说 CPU 本身，并没有能力理解这些高级语言。即使在 2019 年的今天，我们使用的现代个人计算机，仍然只能处理所谓的“机器码”，也就是一连串的“0”和“1”这样的数字。
而计算机是怎么处理0与1的呢？
软硬件接口中CPU担当的角色
从硬件的角度来看，CPU 就是一个超大规模集成电路，通过电路实现了加法、乘法乃至各种各样的处理逻辑。
如果我们从软件工程师的角度来讲，CPU 就是一个执行各种计算机指令（Instruction Code）的逻辑机器。
这里的计算机指令，就好比一门 CPU 能够听得懂的语言，我们也可以把它叫作机器语言（Machine Language）。
不同CPU的指令集不同，我们个人电脑用的是Intel的CPU，而苹果手机用的是ARM的CPU。两种CPU支持不同的计算机指令集,英文叫 Instruction Set，代表他们有不同的单词和语法。
从编译到汇编，代码怎么编译成机器码的？
让我们用一段C程序来看看最基本的CPU指令。
// test.c
int main()
{
int a = 1;
int b = 2;
a = a + b;
}
要让这段程序在一个 Linux 操作系统上跑起来，我们需要把整个程序翻译成一个汇编语言（ASM，Assembly Language）的程序，这个过程我们一般叫编译（Compile）成汇编代码。
针对汇编代码，我们可以再用汇编器（ASM）翻译成机器码（Machine Code）。这些机器码由“0”和“1”组成的机器语言表示。这一条条机器码，就是一条条计算机指令。这样一串串的 16 进制数字，就是我们 CPU 能够真正认识的计算机指令。
在一个 Linux 操作系统上，我们可以简单地使用 gcc 和 objdump 这样两条命令，把对应的汇编代码和机器码都打印出来。
$ gcc -g -c test.c
$ objdump -d -M intel -S test.o
当然我们还可以用 gcc test.o -o test 来将其变为一个可以执行的test文件，这里不需要。
可以看到，左侧有一堆数字，这些就是一条条机器码；右边有一系列的 push、mov、add、pop。
test.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <main>:
int main()
{
0: 55 push rbp
1: 48 89 e5 mov rbp,rsp
int a = 1;
4: c7 45 fc 01 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x1
int b = 2;
b: c7 45 f8 02 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
a = a + b;
12: 8b 45 f8 mov eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
15: 01 45 fc add DWORD PTR [rbp-0x4],eax
}
18: 5d pop rbp
19: c3 ret
第一列就是机器码，而第二三列就代表了汇编代码的指令。
可以看到一行 C 语言代码，有时候只对应一条机器码和汇编代码，有时候则是对应两条机器码和汇编代码。汇编代码和机器码之间是一 一对应的。
分析汇编代码
开头的 push 还有 mov 代表了程序进入这个main方法中，DWORD PTR代表了这是一个32位的整数，[rbp-0x4]代表了栈基地址偏移四个字节，0x1则是16进制的1，代表值，下方同理。 eax代表了一个寄存器，存储下方add的值，之后pop退出栈。
解析指令和机器码
CPU内部的指令很多，不过常见的分为五类：
第一类是算术类指令，我们的加减乘除在CPU层面都会变成一条条的算术类指令。
第二类是数据传输类指令。给变量赋值、在内存里读写数据，用的都是数据传输类指令。
第三类是逻辑类指令。逻辑上的与或非，都是这一类指令。
第四类是条件分支类指令。日常我们写的“if/else”，其实都是条件分支类指令。
最后一类是无条件跳转指令。写一些大一点的程序，我们常常需要写一些函数或者方法。在调用函数的时候，其实就是发起了一个无条件跳转指令
不同的 CPU 有不同的指令集，也就对应着不同的汇编语言和不同的机器码。为了方便你快速理解这个机器码的计算方式，我们选用最简单的 MIPS 指令集，来看看机器码是如何生成的。
MIPS 是一组由 MIPS 技术公司在 80 年代中期设计出来的 CPU 指令集。就在最近，MIPS 公司把整个指令集和芯片架构都完全开源了。
MIPS指令是一个32位的整数，高六位是操作码，剩下的26位有R、I、J三种格式。
R 指令是一般用来做算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器的地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移操作的位移量，而最后的功能码，则是在前面的操作码不够的时候，扩展操作码表示对应的具体指令的。
I 指令，则通常是用在数据传输、条件分支，以及在运算的时候使用的并非变量还是常数的时候。这个时候，没有了位移量和操作码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成了一个地址值或者一个常数。
J 指令就是一个跳转指令，高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。
add $t0,$s2,$s1
以一个简单的加法为例：
对应的 MIPS 指令里 opcode 是 0，rs 代表第一个寄存器 s1 的地址是 17，rt 代表第二个寄存器 s2 的地址是 18，rd 代表目标的临时寄存器 t0 的地址，是 8。
因为不是位移操作，所以位移量是 0。把这些数字拼在一起，就变成了一个 MIPS 的加法指令。
为了读起来方便，我们一般把对应的二进制数，用 16 进制表示出来。在这里，也就是 0X02324020。这个数字也就是这条指令对应的机器码。
如果我们用打孔代表 1，没有打孔代表 0，用 4 行 8 列代表一条指令来打一个穿孔纸带，那么这条命令大概就长这样：
opcode(6位) 000000 10001 10010 01000 00000 100000 =0000 0010 0011 0010 0100 0000 0010 0000（对应纵向打孔带） =0X02324020
指令跳转：原来if...else就是goto
CPU 是如何执行指令的？
拿我们用的 Intel CPU 来说，里面差不多有几百亿个晶体管。实际上，一条条计算机指令执行起来非常复杂。好在 CPU 在软件层面已经为我们做好了封装。对于我们这些做软件的程序员来说，我们只要知道，写好的代码变成了指令之后，是一条一条顺序执行的就可以了。
我们先不管几百亿的晶体管的背后是怎么通过电路运转起来的，逻辑上，我们可以认为，CPU 其实就是由一堆寄存器组成的。而寄存器就是 CPU 内部，由多个触发器（Flip-Flop）或者锁存器（Latches）组成的简单电路。
N 个触发器或者锁存器，就可以组成一个 N 位（Bit）的寄存器，能够保存 N 位的数据。比方说，我们用的 64 位 Intel 服务器，寄存器就是 64 位的。
32位系统的最大寻址空间是2的32次方=4294967296(bit)= 4(GB)左右;
64位系统的最大寻址空间为2的64次方=4294967296(bit)的32次方，数值大于1亿GB;
也就是说32位系统的处理器最大只支持到4G内存，而64位系统最大支持的内存高达亿位数，实际运用过程中大多数的电脑32位系统最多识别3.5GB内存，64位系统最多识别128GB内存。
一个 CPU 里面会有很多种不同功能的寄存器。这里介绍三种比较特殊的。
一个是 PC 寄存器（Program Counter Register），我们也叫指令地址寄存器（Instruction Address Register）。顾名思义，它就是用来存放下一条需要执行的计算机指令的内存地址。
第二个是指令寄存器（Instruction Register），用来存放当前正在执行的指令。
第三个是条件码寄存器（Status Register），用里面的一个一个标记位（Flag），存放 CPU 进行算术或者逻辑计算的结果。
除了这些特殊的寄存器，CPU 里面还有更多用来存储数据和内存地址的寄存器。这样的寄存器通常一类里面不止一个。我们通常根据存放的数据内容来给它们取名字，比如整数寄存器、浮点数寄存器、向量寄存器和地址寄存器等等。有些寄存器既可以存放数据，又能存放地址，我们就叫它通用寄存器。
实际上，一个程序执行的时候，CPU 会根据 PC 寄存器里的地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令。可以看到，一个程序的一条条指令，在内存里面是连续保存的，也会一条条顺序加载。
而有些特殊指令，比如上一讲我们讲到 J 类指令，也就是跳转指令，会修改 PC 寄存器里面的地址值。这样，下一条要执行的指令就不是从内存里面顺序加载的了。事实上，这些跳转指令的存在，也是我们可以在写程序的时候，使用 if…else 条件语句和 while/for 循环语句的原因。
从 if…else 来看程序的执行和跳转
我们现在就来看一个包含 if…else 的简单程序。
// test.c
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
srand(time(NULL));
int r = rand() % 2;
int a = 10;
if (r == 0)
{
a = 1;
} else {
a = 2;
}
我们用 rand 生成了一个随机数 r，r 要么是 0，要么是 1。当 r 是 0 的时候，我们把之前定义的变量 a 设成 1，不然就设成 2。
$ gcc -g -c test.c
$ objdump -d -M intel -S test.o
我们把这个程序编译成汇编代码。你可以忽略前后无关的代码，只关注于这里的 if…else 条件判断语句。对应的汇编代码是这样的：
if (r == 0)
3b: 83 7d fc 00 cmp DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
3f: 75 09 jne 4a <main+0x4a>
{
a = 1;
41: c7 45 f8 01 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x1
48: eb 07 jmp 51 <main+0x51>
}
else
{
a = 2;
4a: c7 45 f8 02 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x2
51: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
}
可以看到，这里对于 r == 0 的条件判断，被编译成了 cmp 和 jne 这两条指令。
cmp 指令比较了前后两个操作数的值，这里的 DWORD PTR 代表操作的数据类型是 32 位的整数，而[rbp-0x4]则是一个寄存器的地址。所以，第一个操作数就是从寄存器里拿到的变量 r 的值。第二个操作数 0x0 就是我们设定的常量 0 的 16 进制表示。 cmp 指令的比较结果，会存入到条件码寄存器当中去。
在这里，如果比较的结果是 True，也就是 r == 0，就把零标志条件码（对应的条件码是 ZF，Zero Flag）设置为 1。除了零标志之外，Intel 的 CPU 下还有进位标志（CF，Carry Flag）、符号标志（SF，Sign Flag）以及溢出标志（OF，Overflow Flag），用在不同的判断条件下。
cmp 指令执行完成之后，PC 寄存器会自动自增，开始执行下一条 jne 的指令。
跟着的 jne 指令，是 jump if not equal 的意思，它会查看对应的零标志位。如果为 0，会跳转到后面跟着的操作数 4a 的位置。这个 4a，对应这里汇编代码的行号，也就是上面设置的 else 条件里的第一条指令。当跳转发生的时候，PC 寄存器就不再是自增变成下一条指令的地址，而是被直接设置成这里的 4a 这个地址。这个时候，CPU 再把 4a 地址里的指令加载到指令寄存器中来执行。
跳转到执行地址为 4a 的指令，实际是一条 mov 指令，第一个操作数和前面的 cmp 指令一样，是另一个 32 位整型的寄存器地址，以及对应的 2 的 16 进制值 0x2。mov 指令把 2 设置到对应的寄存器里去，相当于一个赋值操作。然后，PC 寄存器里的值继续自增，执行下一条 mov 指令。
这条 mov 指令的第一个操作数 eax，代表累加寄存器，第二个操作数 0x0 则是 16 进制的 0 的表示。这条指令其实没有实际的作用，它的作用是一个占位符。我们回过头去看前面的 if 条件，如果满足的话，在赋值的 mov 指令执行完成之后，有一个 jmp 的无条件跳转指令。跳转的地址就是这一行的地址 51。
我们的 main 函数没有设定返回值，而 mov eax, 0x0 其实就是给 main 函数生成了一个默认的为 0 的返回值到累加器里面。if 条件里面的内容执行完成之后也会跳转到这里，和 else 里的内容结束之后的位置是一样的。
有时候汇编代码中不会默认生成0的返回值
如何通过 if…else 和 goto 来实现循环？
int main()
{
int a = 0;
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
a += i;
}
}
我们再看一段简单的利用 for 循环的程序。我们循环自增变量 i 三次，三次之后，i>=3，就会跳出循环。整个程序，对应的 Intel 汇编代码就是这样的：
for (int i = 0; i <= 2; i++)
b: c7 45 f8 00 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x0
12: eb 0a jmp 1e
{
a += i;
14: 8b 45 f8 mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
17: 01 45 fc add DWORD PTR [rbp-0x8],eax
1a: 83 45 f8 01 add DWORD PTR [rbp-0x4],0x1
1e: 83 7d f8 02 cmp DWORD PTR [rbp-0x4],0x2
22: 7e f0 jle 14
24: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
}
可以看到，对应的循环也是用 1e 这个地址上的 cmp 比较指令，和紧接着的 jle 条件跳转指令来实现的。主要的差别在于，这里的 jle 跳转的地址，在这条指令之前的地址 14，而非 if…else 编译出来的跳转指令之后。
往前跳转使得条件满足的时候，PC 寄存器会把指令地址设置到之前执行过的指令位置，重新执行之前执行过的指令，直到条件不满足，顺序往下执行 jle 之后的指令，整个循环才结束。
想要在硬件层面实现这个 goto 语句，除了本身需要用来保存下一条指令地址，以及当前正要执行指令的 PC 寄存器、指令寄存器外，我们只需要再增加一个条件码寄存器。
