一个程序在计算机中到底是如何运行的(第五天--内存)
在《载入内存,让程序运行起来》一节中讲到,程序是保存在硬盘中的,要载入内存才能运行,CPU也被设计为只能从内存中读取数据和指令。
对于CPU来说,内存仅仅是一个存放指令和数据的地方,并不能在内存中完成计算功能,例如要计算 a = b + c,必须将 a、b、c 都读取到CPU内部才能进行加法运算。为了了解具体的运算过程,我们不妨先来看一下CPU的结构。
CPU是一个复杂的计算机部件,它内部又包含很多小零件,如下图所示:
![](http://c.biancheng.net/cpp/uploads/allimg/160418/1-16041Q12305H6.jpg)
运算单元是CPU的大脑,负责加减乘除、比较、位移等运算工作,每种运算都有对应的电路支持,速度很快。
寄存器(Register)是CPU内部非常小、非常快速的存储部件,它的容量很有限,对于32位的CPU,每个寄存器一般能存储32位(4个字节)的数据,对于64位的CPU,每个寄存器一般能存储64位(8个字节)的数据。为了完成各种复杂的功能,现代CPU都内置了几十个甚至上百个的寄存器,嵌入式系统功能单一,寄存器数量较少。
我们经常听说多少位的CPU,指的就是寄存器的的位数。现在个人电脑使用的CPU已经进入了64位时代,例如 Intel 的 Core i3、i5、i7 等。
寄存器在程序的执行过程中至关重要,不可或缺,它们可以用来完成数学运算、控制循环次数、控制程序的执行流程、标记CPU运行状态等。例如,EIP(Extern Instruction Pointer )寄存器的值是下一条指令的地址,CPU执行完当前指令后,会根据 EIP 的值找到下一条指令,改变 EIP 的值,就会改变程序的执行流程;CR3 寄存器保存着当前进程页目录的物理地址,切换进程就会改变 CR3 的值,这将在《 MMU部件以及对内存权限的控制》中讲解;EBP、ESP 寄存器用来指向栈的底部和顶部,函数调用会改变 EBP 和 ESP 的值,这将在《 栈的概念以及栈溢出》中讲解。
那么,在CPU内部为什么又要设置缓存呢?虽然内存的读取速度已经很快了,但是和CPU比起来,还是有很大差距的,不是一个数量级的,如果每次都从内存中读取数据,会严重拖慢CPU的运行速度,CPU经常处于等待状态,无事可做。在CPU内部设置一个缓存,可以将使用频繁的数据暂时读取到缓存,需要同一地址上的数据时,就不用大老远地再去访问内存,直接从缓存中读取即可。
大家在购买CPU时,也会经常关心缓存容量,例如 Intel Core i7 3770K 的三级缓存为 8MB,二级缓存为 256KB,一级缓存为 32KB。容量越大,CPU越强悍。
缓存的容量是有限的,CPU只能从缓存中读取到部分数据,对于使用不是很频繁的数据,会绕过缓存,直接到内存中读取。所以不是每次都能从缓存中得到数据,这就是缓存的命中率,能够从缓存中读取就命中,否则就没命中。关于缓存的命中率又是一门学问,哪些数据保留在缓存,哪些数据不保留,都有复杂的算法。
CPU指令
要想让CPU工作,必须借助特定的指令,例如 add 用于加法运算,sub 用于除法运算,cmp 用于比较两个数的大小,这称为CPU的指令集(Instruction Set)。我们的C语言代码最终也会编译成一条一条的CPU指令。不同型号的CPU支持的指令集会有所差异,但绝大部分是相同的。
我们以C语言中的加法为例来演示CPU指令的使用。假设有下面的C语言代码:
int a = 0X14, b = 0XAE, c;
c = a + b;
在VS2010 Debug模式下生成的CPU指令为:
mov ptr[a], 0X14
mov ptr[b], 0XAE
mov eax, ptr[a]
add eax, ptr[b]
mov ptr[c], eax
mov 和 add 都是CPU指令:
1) mov 用来将一个数值移动到一个存储位置。这个数值可以是一个常数,也可以在内存或者寄存器上;这个存储位置可以是寄存器或者内存。
第一条指令中, ptr[a]表示变量 a 的地址, 0X14是一个数值, mov ptr[a], 0X14表示把数值 0X14 移动到 ptr[a] 指向的内存,也就是给变量 a 赋值。第二条指令与此类似。
第三条指令中, eax是寄存器的名字,该寄存器常用在加法运算中,用来保存某个加数或运算结果, mov eax, ptr[a]表示把变量 a 的值移动到寄存器 eax 中。
第五条指令表示把寄存器 eax 的值移动到变量 c 中,此时 exa 中的值为 a、b 相加的和。
2) add 用来将两个数值相加,这两个数值可以在寄存器或者内存中,add 会将相加的结果放在第一个数所在的位置。第四条指令 add eax, ptr[b]表示把 eax 和 ptr[a] 中的数值相加,并把结果放在 eax 中。
总起来讲:第一二条指令给变量 a、b 赋值,第三四条指令完成加法运算,第五条指令将运算结果赋值给变量 c。
实际上,上面的代码是汇编语言,不是CPU指令,汇编语言还要经过简单的转换才能成为CPU指令;为了更加容易地说明问题,这些语句也没有严格遵守汇编的语法。有兴趣的同学可以自行学习汇编语言,这里不再展开讲解。
本节我们讲解了CPU的简单构造以及CPU指令,重点是让大家认识寄存器这个小而快速的存储部件,它在程序运行过程中起着至关重要的作用,CPU就是用它来记录程序的运行状态,然后根据它的值再决定下一步的操作。