[Translation] [Quora]How exactly does a computer program work?

2013年1月29的的Quora文摘的一篇文章还蛮有趣的，为非专业同学大致解释了下计算机程序如何运行。为了强迫自己多读多写，试着翻译看看，也为我在墨尔本的面试生涯增加些生趣和意义，全当自娱自乐或者苦衷做了好了。请允许我在总重原作者的前提下，自由放浪的发挥。

[题目]

计算机程序具体是如何工作的？换句人类听得懂的话来说，以行行五颜六色的字儿，怎么就能让一个插满线的盒子工作了呢？我觉得计算机是基于0和1的，但到底他们是怎么他妈翻译过去的呢？

[Artem Boytsov的答案]

这真是一个好问题。如果你想完全知道怎么回事，你必须要阅读计算机体系结构的相关书籍。计算机确实是通过操作0和1来实现这些的。让我们从非常非常基本的开始吧。

1. 计算机的核心部分叫做中央处理器（CPU），现代CPU包括很多东西，但是简单来说，CPU是由很多微电子组成的，可以运行指令的东东，如下图，小方盒儿和它带刺儿的背面。

   
   
   

    

2. 你也可以认为CPU是一大堆逻辑晶体管门（What the F!），超多的。这些门由晶体管和其他电子器件组成，只实现了非常简单的逻辑操作：AND（与），OR（或），NOT（非）。就算是非常简单的CPU也需要使用上千个晶体管。而对复杂的现代CPU，也许有超过25亿个晶体管。也许你会说他们很小，但其实有一些也不是特别小，如图（三个小腿儿中，两个是输入，一个是输出）

    

3. 晶体管的操作时基于电流的，简单来讲，这就是0和1的来源，1代表有电流，0代表没有电流。逻辑操作时基于这些电流的。比如：
   1. AND（与）两个输入都是1时，output才是1
   2. OR（或）两个输入中，有一个是1，output就是1
   3. NOT（非）反转输入，1变0，0变1

       

4. 当你组合这三个操作时，你可以表达所有的逻辑，四则运算和其他一切。无论您相不相信，反正我相信。你唯一需要做的，只是把他们重复组合在一起。也可以这样理解，数字用1和0表示，及二进制，其他的只是一些1和0的逻辑操作组合。下图是一个组合的例子，可以计算两位相加。如果想实现更大的数字相加，只需要加更多地组合而已。

   

    

5. 以上是CPU及其逻辑。但是，我们从那里得到指令呢?我们已经知道了如何操作，现在我们讲讲该如何获取一系列指令呢。比如，我们可以和CPU达成协议，把45当成两个数相加，87当作两个数相处。然后CPU需要做的就是，读取这些数字然后执行相应的指令。

    

6. 在现代CPU中，我们把这些指令叫做微指令（microcode），它包含了大多数的基本指令。微指令被用来实现更复杂的机器指令（machine code），机器指令仍然是数字，只不过更复杂。想象一下这个例子：机器指令为”76 2 3 4″， 意思是 将内存上2号位和3号位的 两个数字相加（指令代号76），结果写到内存4号位。微指令则更简单，比如”读取内存2号位的数字”，CPU就会执行它了。

    

7. 上文提到了内存，比较好理解。它包含了很多个0和1，并且可以被改变。就长这么个样子。

在几乎所有的已存计算机体系中（感谢这家伙 – 冯诺伊曼），上文提到的指令代码存放在内存中，就像其他数据一样。指令（76 2 3 4）也被存放在内存中。开启CPU后，需要把它指向一个存着走起（GO）！的内存地址。CPU就会一条条的读取指令。

1. 当然，因为计算机只懂得1和0，所以指令和数据都以二进制形式存储。二进制其实很好理解，平时我们用十进制，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9.你可以想想，也许只有8个手指的ET会用8进制0，1，2，3，4，5，6，7. 我国古代也有16进制所以半斤才是8两。

   

    

2. 累死个人，不想翻了。。。76 2 3 4这指令太他妈难懂了，谁知道76时啥意思，我必须得查指令代码手册好伐，又不是内战时期，干嘛秘密成这样。好吧，现在又来了汇编语言，你妈我脖子疼。它会把指令表达的更人性化一点。

• 汇编语言：ADD [2], [3] -> [4] （伪汇编语言，大概是这么个意思）
• 机器指令：76 2 3 4

   

1. 第一个汇编器Assembler（编语言翻译成机器指令），当然必须得用纯数字指令写。但其实不难，因为基本上汇编语言和机器指令是一比一的相互对应的。

    

2. 好歹汇编语言不需要查字典也能看得弄，事情好弄多了。但是用起来仍然麻烦。比如，实现读取用户的输入，加1以后，输出结果。也就是用户输入4，输出5即可。就这么一个简单操作，你妈要写很多条汇编语言啊有没有。它实在是他底层了，太缺乏高一层次的抽象了。

    

3. OK，进入编程语言Programming Languages。比起汇编，它简直太高层了，哈哈哈，可以很简单的表达复杂逻辑。比如：

    

   R=2.0

   Print “2.0 + 1 = %f” (R+1)

   就这么两行代码，能翻译成居多汇编语言，但是编译器compiler会帮我们做，它会把编程语言Programming Language翻译成汇编语言Assembly Language，其实大多数时候是到了机器指令的。总之他就是把人写的东西翻译成机器懂的
   

    

4. 现在我们有了编译器，可以将我写的程序，翻译成机器指令，结果是一个可执行文件Executable File。它其实是一堆1和0，存放在硬盘的某个地方。如果想运行它，CPU需要把它读取到内存中，将CPU指向程序的最开端，然后走起！
5. 最后来说说操作系统Operating System。它基本上是一个随着电脑启动而启动的程序。它会处理一些复杂的内容，比如磁盘，文件，显示器，键盘，鼠标等等。所以你的程序就不需要担心这些了。你可以让操作系统去读取刚刚键入的键盘按键，而不必担心要如何和键盘通信。

    

   流行的桌面操作系统：Windows，Linux，Mac。。。

   流行的移动操作系统：iOS，Androd，Windows Phone，Symbian（卒于2013），Win8。。。

    

   文件和文件夹其实是伴随操作系统而来的。是操作系统读取你可执行文件到内存，然后将CPU指向程序头，然后说：走起！

恭喜你，你已经大致了解了计算机体系结构，一点点，一点点。。。。。

Richard Feynman Computer Heuristics Lecture

Youtube的视频，一个多小时，有点长，很古老。