計算機指令

在軟硬件接口中，CPU幫我們做了什么？

從硬件角度來看， CPU就是一個超大規模集成電路，通過電路實現了加法，乘法乃至各種各樣的處理邏輯。

從軟加工程師的角度來講，CPU就是一個執行各種計算機指令（Instruction Code）的邏輯機器。這里的計算機指令，就好比一門CPU能夠聽懂的語言，我們把它叫做機器語言（Machine Language）

不同的CPU能夠聽懂的語言不太一樣。比如我們個人電腦用的Intel的CPU，蘋果手機用的是ARM的CPU。類似這樣兩種CPU各自支持的語言，就是兩組不同的計算機指令集（Instruction set）

一個計算機程序，不可能只有一條指令，而是由成千上萬條指令組成的。但是CPU里不能一直放着所有指令，所以計算機程序平時是存儲在存儲器中的。這種指令存儲在存儲器里面的計算機，我們就叫做存儲程序型計算機

從編譯到匯編，代碼怎么變成機器碼？

// test.c
int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    a = a + b;
}

要讓這段程序在一個Linux操作系統上跑起來，我們需要把整個程序翻譯成一個匯編語言（ASM，Assembly Language）的程序，這個過程我們一般叫編譯（Compile）成好匯編代碼。

針對匯編代碼，我們可以再用匯編器（Assembler）翻譯成機器碼（Machine Code）。這些機器碼由“0”和“1”組成的機器語言表示。這一條條機器碼，就是一條條的計算機指令。這樣一串串的16進制數字，就是我們CPU能夠真正認識的計算機指令

在一個Linux操作系統上，我們可以簡單地使用gcc和objdump這樣兩條命令，把對應的匯編代碼和機器碼都打印出來。

[learning_log@localhost 桌面]$ gcc -g -c text.c
[learning_log@localhost 桌面]$ objdump -d -M intel -S text.o
text.o：     文件格式 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    

可以看到左側一堆數字，這些就是一條條機器碼；右邊有一系列的push、mov、add、pop等，這些就是對應的匯編代碼。一行C語言代碼，有時候對應一條機器碼和匯編代碼，有時候則是對應兩條機器碼和匯編代碼。匯編代碼和機器碼之間是一一對應的。

從高級語言到匯編代碼，再到機器碼，就是一個日常開發程序，最終變成了CPU可以執行的計算機指令的過程。

解析指令和機器碼

常見的指令可以分為五大類。

第一類是算術類指令。我們的加減乘除，在CPU層面，都會變成一條條算術類指令。

第二類是數據傳輸類指令。給變量賦值，在內存里讀寫數據，用的都是數據傳輸類指令。

第三類是邏輯類指令。邏輯上的與或非，都是這一類指令。

第四類是條件分支類指令。日常我們寫的“if/else”，其實都是條件分支類指令。

最后一類是無條件跳轉指令。寫一些大一點的程序，我們常常需要寫一些函數或者方法。再調用函數的時候，其實就是發起了一個無條件跳轉指令。

我們說過，不同的CPU有不同的指令集，也就對應着不同的匯編語言和不同的機器碼。為了方便你快速理解這個機器碼的計算方式，我們選用最簡單的MIPS指令集，來看機器碼是如何生成的。

MIPS的指令是一個32位的整數，高6位叫操作碼（Opcode），也就是代表這條指令具體是一條什么樣的指令，剩下的26位有三種格式，分別是R、I、J。

R指令是一般用來做算術和邏輯操作，里面有讀取和寫入數據的寄存器的地址。如果是邏輯位移操作，后面還有位移操作的位移量，而最后的功能碼，則是在前面的操作碼不夠的時候，擴展操作碼表示對應的具體指令的。

I指令，則通常是用來數據傳輸，條件分支，以及在運算的時候使用的並非變量還是常數的時候。這個時候，沒有了位移量和操作碼，也沒有了第三個寄存器，而是把這三部分直接合並成一個地址值或者常數。

J指令就是一個跳轉指令，高6位之外的26位都是一個跳轉后的地址。

add $t0,$s2,$s1

對應的MIPS指令里的opcode是0，rs代表第一個寄存器s1的地址是17，rt代表第二個寄存器s2的地址是18，rd代表目標的臨時寄存器t0的地址，是8。因為不是位移操作，所以位移量是0.把這些數字拼在一起，就變成了一個MIPS的加法指令。

為了讀起來方便，我們一般把對應的二進制數，用16進制表示，也就是0X02324020。這個數字也就是這條指令對應的機器碼。

如果想要對日常使用的Intel CPU的指令集有所了解，可以參看《計算機組成與設計：軟/硬件借口》第5版的2.17小節。