程序是怎样跑起来的——1.1　CPU的内部结构解析

热身问题 阅读正文前，让我们先回答下面的问题来热热身吧。 问题 1. 程序是什么？ 2. 程序是由什么组成的？ 3. 什么是机器_语言？ 4. 正在运行的程序存储在什么位置？ 5. 什么是内存地址？ 6. 计算机的构成元件中，负责程序的解释和运行的是哪个？ 怎么样？是不是发现有一些问题无法简单地解释清楚呢？下面是笔者的答案和解析，供大家参考。 答案 1. 指示计算机每一步动作的一组指令 2. 指令和数据 3. CPU可以直接识别并使用的语言 4. 内存 5. 内存中，用来表示命令和数据存储位置的数值 6. CPU 解析 1. 一般所说的程序，譬如运动会、音乐会的程序等，指的是“行事的先后次序”。计算机程序也是一样的道理。 2. 程序是指令和数据的组合体。例如，C语言“printf ("你好");”这个简单的程序中，printf是指令，"你好"是数据。 3. CPU能够直接识别和执行的只有机器语言。使用C、Java等语言编写的程序，最后都会转化成机器语言。 4. 硬盘和磁盘等媒介上保存的程序被复制到内存后才能运行。 5. 内存中保存命令和数据的场所，通过地址来标记和指定。地址由整数值表示。 6. 计算机的构成元件中，根据程序的指令来进行数据运算，并控制整个计算机的设备称作CPU。大家熟知的奔腾（Pentium）就是CPU的一种。 本章重点 首先让我们来看一下解释和运行程序的CPU。CPU是英文Central Processing Unit（中央处理器）的缩写，相当于计算机的大脑，它的内部由数百万至数亿个晶体管构成，这些都是大家所熟知的。不过，对CPU的了解如果只限于此的话，对编程是没有任何帮助的。程序员还需要理解CPU是如何运行的，特别是要弄清楚负责保存指令和数据的寄存器的机制。了解了寄存器，也就自然而然地理解了程序的运行机制。可能有很多读者会认为CPU的运行机制比较难，其实它非常简单。所以，不妨放松心情，跟随笔者一起往下阅读吧。 1.1　CPU的内部结构解析 图1-1展示了程序运行的一般流程。可以说了解程序的运行流程是掌握程序运行机制的基础和前提。详细内容会在接下来的章节中逐渐展开，这里主要是希望大家先有个大致印象。在这一流程中， CPU ①所负责的就是解释和运行最终转换成机器语言的程序内容。 CPU和内存是由许多晶体管组成的电子部件，通常称为IC（Integrated Circuit，集成电路）。从功能方面来看，如图1-2所示，CPU的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部分构成，各部分之间由电流信号相互连通。 寄存器_可用来暂存指令、数据等处理对象，可以将其看作是内存的一种。根据种类的不同，一个CPU内部会有20～100个寄存器。 控制器_负责把内存上的指令、数据等读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。 运算器_负责运算从内存读入寄存器的数据。 时钟_负责发出CPU开始计时的时钟信号②。不过，也有些计算机的时钟位于CPU的外部。 ① CPU是用来表示计算机内部元件功能的术语。另一方面，奔腾等半导体芯片，通常称为微处理器。不过，由于大部分计算机通常只有一个微处理器来承担CPU的功能，所以本章不对此进行区分，统一使用CPU这一称呼。CPU由具有ON/OFF开关功能的晶体管构成。另外，有的CPU在一个集成电路中集成了两个CPU芯片，我们称之为双核（dual core）CPU。 ② 时钟信号英文叫作clock puzzle。Pentium 2 GHz表示时钟信号的频率为2 GHz（1 GHz = 10亿次/秒）。也就是说，时钟信号的频率越高，CPU的运行速度越快。 接下来简单地解释一下内存。通常所说的内存指的是计算机的主存储器（main memory）①，简称主存。主存通过控制芯片等与CPU相连，主要负责存储指令和数据。主存由可读写的元素构成，每个字节（1字节 = 8位 ）都带有一个地址编号。CPU可以通过该地址读取主存中的指令和数据，当然也可以写入数据。但有一点需要注意，主存中存储的指令和数据会随着计算机的关机而自动清除。 ① 主存位于计算机机体内部，是负责存储程序、数据等的装置。主存通常使用DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器）芯片。DRAM可以对任何地址进行数据的读写操作，但需要保持稳定的电源供给并时常刷新（确保是最新数据），关机后内容将自动清除。关于内存IC，第4章有详细介绍。 了解了CPU的构造后，大家对程序的运行机制的理解是不是也加深了一些？程序启动后，根据时钟信号，控制器会从内存中读取指令和数据。通过对这些指令加以解释和运行，运算器就会对数据进行运算，控制器根据该运算结果来控制计算机。看到“控制”一词时，大家可能会将事情想象得过于复杂，其实所谓的控制就是指数据运算以外的处理（主要是数据输入输出的时机控制）。比如内存和磁盘等媒介的输入输出、键盘和鼠标的输入、显示器和打印机的输出等，这些都是控制的内容。