【计算机组成原理】学习笔记——总目录

引言

带着问题学习：

if…else 这样的条件判断语句、while 和 for 这样的循环语句在计算机中是如何执行的？

一、CPU 是如何执行指令的？

1、CPU由很多寄存器组成

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。

触发器和锁存器，其实就是两种不同原理的数字电路组成的逻辑门。【暂先不讲，知道即可（数字电路课程）】

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。

2、CPU中不同功能的寄存器

三种比较特殊的寄存器：

1. 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。

2. 指令寄存器（Instruction Register），用来存放当前正在执行的指令。

3. 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。

【以下略看】
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**。

二、从 if…else 来看程序的执行和跳转

// test.c
#include 
#include 

int main()
{
  srand(time(NULL));
  int r = rand() % 2;
  int a = 10;
  if (r == 0)
  {
    a = 1;
  } else {
    a = 2;
  } 
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对应的汇编代码【只关注 if…else 条件判断语句】：

    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
    } 
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【补充】
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。

图解：

上一讲我们讲打孔卡的时候说到，读取打孔卡的机器会顺序地一段一段地读取指令，然后执行。执行完一条指令，它会自动地顺序读取下一条指令。如果执行的当前指令带有跳转的地址，比如往后跳 10 个指令，那么机器会自动将卡片带往后移动 10 个指令的位置，再来执行指令。同样的，机器也能向前移动，去读取之前已经执行过的指令。这也就是我们的 while/for 循环实现的原理。

三、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;
    }
}
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对应的汇编代码：

    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
    }
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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。

图解：
如果你看一长条打孔卡的话，就会看到卡片往后移动一段，执行了之后，又反向移动，去重新执行前面的指令。

其实，你有没有觉得，jle 和 jmp 指令，有点像程序语言里面的 goto 命令，直接指定了一个特定条件下的跳转位置。虽然我们在用高级语言开发程序的时候反对使用 goto，但是

【重要！！！】
实际在机器指令层面，无论是 if…else…也好，还是 for/while 也好，都是用和 goto 相同的跳转到特定指令位置的方式来实现的。

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，来保留条件判断的状态。这样简简单单的三个寄存器，就可以实现条件判断和循环重复执行代码的功能。

三、总结【个人总结的重点】

• if…else、while、for在机器指令层面，都相当于执行goto进行跳转

• 三类寄存器的作用

  1. PC寄存器（指令地址寄存器）：存放下一条需要执行的计算机指令的内存地址【存放地址】
  2. 指令寄存器：用来存放当前正在执行的指令【存放指令】
  3. 条件码寄存器：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。【存放结果，用作是否跳转到相应地址的判断条件】

• 简简单单的三个寄存器（PC寄存器、指令寄存器、条件码寄存器），就可以实现条件判断和循环重复执行代码的功能。

• 文中的图解，可以学习条件码寄存器的作用

• 清楚程序在机器指令层面的执行过程，及过程中PC寄存器、指令寄存器、条件码寄存器是何时、何逻辑顺序发挥作用的。

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