指令和运算 - 计算机指令：高级语言是如何翻译成计算机指令

指令和运算 - 计算机指令：高级语言是如何翻译成计算机指令

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本小节聚焦在高级语言是如何翻译成机器码，以及机器码的格式。之后的两小节则深入讲解 CPU 如何执行条件、循环、函数、递归这些完整的语句。

1. 机器码 vs 计算机指令

计算机只认知 "0" 和 "1"，那我们每天用高级语言的程序，最终都会是怎么变成一串串 "0" 和 "1" 的？这一串串 "0" 和 "1" 又是怎么在 CPU 中处理的？今天，我们就来仔细介绍一下，“机器码”和“计算机指令”到底是怎么回事。

我们常说，CPU(Central Processing Unit，中央处理器) 就是计算机的大脑。

  • 从硬件的角度：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。
  • 从软件的角度：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）。

不同的 CPU 能够听懂的语言不太一样。比如 Intel CPU 和 ARM CPU 各自支持的语言，就是两组不同的计算机指令集（Instruction Set）。

2. 从编译到汇编，代码怎么变成机器码

了解了计算机指令和计算机指令集，接下来我们来看看，平时编写的代码，到底是怎么变成一条条计算机指令，最后被 CPU 执行的呢？我们拿一小段真实的 C 语言程序来看看。

// 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，我们需要将 C 语言翻译计算机指令：

  • 编译(Compile)：把整个程序翻译成一个汇编语言（ASM，Assembly Language）。
  • 汇编(Assembly)：针对汇编代码，再用汇编器（Assembler）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，就是一条条的计算机指令。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 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

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 等，这些就是对应的汇编代码。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。

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

从高级语言到汇编代码，再到机器码，就是一个日常开发程序，最终变成了 CPU 可以执行的计算机指令的过程。

图1：从高级语言到汇编代码，再到机器码

3. 解析指令和机器码

日常用的 Intel CPU，有 2000 条左右的 CPU 指令。不过一般来说，常见的指令可以分成五大类。

  1. 算术类指令：我们的加减乘除，在 CPU 层面，都会变成一条条算术类指令。
  2. 逻辑类指令：逻辑上的与或非，都是这一类指令。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
图2：五大类计算机指令

我们说过，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。（intel 指令集有 2000 条左右，而且是变长，不太好理解）

3.1 MIPS 指令集

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 指令集管网：https://www.mips.com/mipsopen/

图3：MIPS 指令集格式

MIPS 的指令是一个 32 位的整数，高 6 位叫操作码（Opcode），也就是代表这条指令具体是一条什么样的指令，剩下的 26 位有三种格式，分别是 R、I 和 J。

  • R 指令：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：跳转指令，高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。

3.2 示例：add 指令

add $t0,$s2,$s1

add 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。

图4：add 指令表示方法
  000000 10001 10010 01000 00000 100000     // add MIPS指令格式
= 0000 0010 0011 0010 0100 0000 0010 0000   // add 二进制表示
= 0X02324020                                // add 十六进制表示

4. 总结延伸

这一讲里，我们看到了一个 C 语言程序，是怎么被编译成为汇编语言，乃至通过汇编器再翻译成机器码的。

除了 C 这样的编译型的语言之外，不管是 Python 这样的解释型语言，还是 Java 这样使用虚拟机的语言，其实最终都是由不同形式的程序，把我们写好的代码，转换成 CPU 能够理解的机器码来执行的。只是解释型语言，是通过解释器在程序运行的时候逐句翻译，而 Java 这样使用虚拟机的语言，则是由虚拟机对编译出来的中间代码进行解释，或者即时编译成为机器码来最终执行。

然而，单单理解一条指令是怎么变成机器码的肯定是不够的。接下来的两个小节，我会深入讲解，包含条件、循环、函数、递归这些语句的完整程序，是怎么在 CPU 里面执行的。

推荐阅读：

  1. 《计算机组成与设计：软 / 硬件接口》第 5 版的 2.17 小节：Intel CPU 的指令集

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posted on 2020-03-31 09:55  binarylei  阅读(2621)  评论(1)  编辑  收藏  举报

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