cpu 编程原理（小速学编程CPU的结构）
cpu 编程原理（小速学编程CPU的结构）“原理没错，” 吴进仍然表示了肯定，“但这样描述的话，模糊的地方太多了。我们应该追问的更深入一些，这样才不会停留在似懂非懂的状态。这也是我学习时的一个习惯，如果我对一个东西好奇，就一定会把它弄透。”陈小速默思了一会儿，说：“我看了一些书上的内容，CPU执行运算是通过接收指令的，对吧？然后这个指令，我理解它就像是一个命令一样，让CPU干啥就干啥，是这意思吗？”“那就好，” 吴进温和地笑着，“我想你也会有新的问题吧？”“是的，” 陈小速腆着脸笑了起来，“所以这就又过来找吴大哥了。”“我能理解，学习到一个阶段之后，自然会有新的问题出来，这样才能一直进步嘛。今天我先问你一个问题，你知道CPU是怎么工作的吗？” 吴进说着望向了陈小速。
陈小速：一名职业技术学院计算机技术与应用专业的学生，他梦想成为一名程序员。
吴进：一所重点大学软件工程专业大三学生，编程经验丰富。
阅读本文之前，可以先温习一下历史文章：小速学编程：计算机系统的组成
引言陈小速如约来找吴进了，一见面他就嚷道：“吴大哥，我回去以后就给同学们讲解计算机的系统组成原理了。没想到，同学们问了我很多细节问题，一下子还回答不上来。不过我想既然原理都明白了，那找答案也快吧。果然，我一边教一边找答案，我自己都觉得比以前更明白了。”
“那就好，” 吴进温和地笑着，“我想你也会有新的问题吧？”
“是的，” 陈小速腆着脸笑了起来，“所以这就又过来找吴大哥了。”
“我能理解，学习到一个阶段之后，自然会有新的问题出来，这样才能一直进步嘛。今天我先问你一个问题，你知道CPU是怎么工作的吗？” 吴进说着望向了陈小速。
陈小速默思了一会儿，说：“我看了一些书上的内容，CPU执行运算是通过接收指令的，对吧？然后这个指令，我理解它就像是一个命令一样，让CPU干啥就干啥，是这意思吗？”
“原理没错，” 吴进仍然表示了肯定，“但这样描述的话，模糊的地方太多了。我们应该追问的更深入一些，这样才不会停留在似懂非懂的状态。这也是我学习时的一个习惯，如果我对一个东西好奇，就一定会把它弄透。”
“向吴大哥学习。” 陈小速真心诚意地说。
“好了，我们先从第一个问题开始。CPU的结构是怎样的？”吴进开始了讲解。
现代计算机的理论基础是冯·诺依曼提出的“存储程序”思想。其实这是一个很简单的概念，就是说处理器要从存储设备中读取指令代码并执行。
说起来好像废话一样，但在谁也不知道该怎么设计计算机的时候，提出了开创性的思想就是相当了不起的成就。
有了“存储程序”的概念，CPU应该包括的功能也就能确定了。首先要能运算，这在CPU内被称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。
有了ALU，接下来就要从存储中读取数据了。待运算的数据会放在寄存器内，而待执行的指令则会放在L1，L2，L3 cache三级高速缓存中。
有了存储，就需要一个控制器，决定何时从存储中读取指令，并交给ALU进行计算了。这样，一个CPU的基本结构就出来了，它包括ALU、寄存器与高速缓存，还有控制器。
这是核心部件，但数据要送进来，计算完了结果还输出去，那就还需要I/O模块，通过总线完成数据的输入输出操作。
看到上面这张图，陈小速点了点头，说：“吴大哥，我明白了。实际的CPU肯定比这个要复杂得多，但这个原理我是完全理解了。”
吴进赞许地拍了拍陈小速的肩膀，说：“那再问你一个问题，什么是CPU能执行的指令？”
陈小速茫然地摇了摇了头，说：“我只知道它就像命令一样，具体是什么样的我还真不知道。”
吴进又开始对指令进行讲解。
一条指令是CPU能执行的最小功能单元，而单个指令的功能也是很单一的。例如加法指令，就是将两个数相加。而由功能单一的指令所构成的集合，就被称为指令集。
以一个加法的实现为例说明。
现在主内存中有两个数字a和b，我们要计算a b的结果。我们定义三个指令来完成这件事：
- load指令，将数据从内存读取到寄存器中；
- add指令，完成加法运算；
- store指令，将寄存器中的数据写入到内存中。
一条指令的格式是“操作符 操作数1 操作数2”，其中load、add、store就是操作符，操作数就是存放在寄存器或者内存中的数据。
执行过程如下：
load 寄存器1 a; 将数字a从内存中复制到寄存器1中
load 寄存器2 b; 将数字b从内存中复制到寄存器2中
add 寄存器1 寄存器2； 将寄存器1和寄存器2的内存相加，结果保存在寄存器1中
store 寄存器1 主内存； 将寄存器1的内存写到主内存中
看到这里，陈小速拍着脑袋，又站起来口中念念有词，来回踱步了。吴进也没有打扰他，只是微笑地看着他。
陈小速忽然有了灵感，他大声说道：“吴大哥，CPU看起来挺傻的嘛，它每次就干一件特简单的事，而且还一板一眼的。是不是这样意思呢，哈哈！”
“没错，” 吴进笑着表示了肯定，“CPU的单个指令都是很简单的操作。它的特长在于快，就说加法运算，它一秒之内就可以算数十亿次，这个你比不了吧？”
“那是。” 陈小速吐了吐舌头。
“再往下思考一下，” 吴进提示着说，“你现在知道了指令集，那么计算机是怎样完成复杂功能的呢？”
“我想一想。” 陈小速没有马上回答，而是陷入了思索中。
良久，陈小速抬起头来，有些怯意地说：“我想了个大概，不知道对不对？”
“尽管说出来，这才是你进步的时候。” 吴进鼓励着。
“我这是这么想的，既然两个数相加，需要四条指令来完成。那么三个数相加呢？应该是先算出前两个数的结果，才和第三个数相加，那就要增加四条指令了。” 陈小速说着自己的想法，吴进不住地点头。
“那么乘法呢？就可以看成是n个数的相加，也可以转变成多条加法指令来完成。” 陈小速自己好像也越说越自信了，“所以，我觉得计算机完成复杂功能的运算，应该是把一个大任务拆解成一条一条可以让CPU执行的指令。这个指令数量可能会很多，但没关系，CPU它不是快嘛。” 说到最后，陈小速还开起了玩笑。
吴进了竖了个大拇指，说：“你理解得很不错，你说的其实是计算机科学中一个很重要的基本思想。就是分治思想，将一个大问题拆解成若干可以解决的小问题，从而得到问题解。”
这回倒将陈小速闹了个大红脸，他急忙说：“别，吴大哥，我就是随口瞎掰的。”
“那再问一句了，这些完成了复杂功能的指令放在一起，是什么？” 吴进继续提问。
“指令清单，指令列表，还是啥的……” 陈小速自己都觉得不对了。
“这就是程序。” 吴进着重强调了最后两个字。
听到这里，陈小速忽然觉得天顶好像被炸开，一线阳光洒了进来，周围的桌椅板凳都变得清晰起来。他不知道为什么，想起了《黑客帝国》里Neo第一次看到Matrix的本质一样。
“那我们编程序，就是把一个大任务，分解成一条一条的指令，然后写下来吗？” 陈小速喃喃自语，又像在提问。
“可以这么理解，但直接写成CPU指令的话，那人类到现在只怕还停留在做四则运算的水平。因为那样写起来太单调，都是重复性工作，工作量太大。” 吴进解释着。
他继续说道：“这就是为什么我们需要编程语言了，你下次过来，我们就可以好好讨论一下编程语言的话题了。回去别忘了跟你同学讲解今天的内容啊。”
陈小速用力地点着头。他真想赶紧来学下一课啊。
