故事起源

  • 先驱想创造一个能执行程序的计算机，让我们来帮助他

开始构思 ！

  • 我们知道，程序是由（代码 & 数据）组成的
  • 比如：假设我们想要计算1+2+3+...+100，那么我们不费吹灰之力就能写一个程序来完成这件事
  • 不难理解：
    1. 数据是程序处理的对象
    2. 代码描述了程序是如何对数据进行处理的

ok，既然我们想让计算机执行程序，那应该将程序放在哪儿呢 ？

  • 程序有几十行代码的“小程序”，也有上万行代码的“大程序”（比如大型游戏程序）
  • 显然，我们应该将程序放到一个拥有较大存储空间的“容器”中，这个容器叫：存储器
  • 于是，存储器诞生了，程序可被放入存储器中，等待着被 CPU 执行

等等，啥是 CPU ？

  • CPU，中文名叫中央处理器，听起来牛逼吧 ？！
  • 嗯，它确实牛逼，它是负责处理数据的核心电路单元，程序执行全靠它
  • 还不懂 ？
    • 你想啊，一个计算机它如果只有存储器，那还是不能计算嘛
    • 所以就得 CPU 扛起计算的重任喽
    • 咋扛呢 ？傻瓜，给 CPU 造运算器啊，然后就能对数据进行各种处理了
    • 啥 ？你觉得运算器太复杂 ？
    • 确实有点复杂哈，那就先只思考加法器吧～
  • 仍然以计算1+2+3+...+100为例
  • 对于本例，程序的编写方式是（将“部分”累加到“sum”上）

这就说明：有时候程序是需要对同一个数据进行连续的处理的

  • 那么现在硬件视角的执行是下面这样的

    • 从存储器读出 sum 和 1，传入 CPU，1 被加到 sum 上，将 sum 写回存储器
    • 从存储器读出 sum 和 2，传入 CPU，2 被加到 sum 上，将 sum 写回存储器
    • 从存储器读出 sum 和 3，传入 CPU，3 被加到 sum 上，将 sum 写回存储器
    • …

  • 啊西巴 ！

    • 上面这样我们每完成一次累加都得将 sum 写回存储器，然后立刻就又将 sum 读出来继续加，这样太傻了啊

  • 为什么说上面这种方式很傻呢 ？你可以想像这样的场景：

    • 考试的时候你做一道题就向你同桌借一次橡皮，上道题做完你立马就还回去，下道题还借…
    • 懂了吧 ？！

  • 另外，大容量的存储器的读写速度是相对较慢的，这是谁都无法违背的材料特性规律

  • 于是先驱创造了小容量但高速的寄存器，CPU 正在处理中的数据可被暂放其中

至此，我们就有了（存储器、CPU、寄存器）

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  • 为了让强大的 CPU 成为我们忠实的奴仆，指令诞生了

  • 我们可以用指令来控制 CPU，让 CPU 做我们想做的事

  • 但（发一条指令，CPU 就动一动）的方式还是不尽人意，于是先驱就和 CPU 做了一个简单的约定

    • 给你一段程序，你执行完一条指令之后，就继续执行下一条指令
    • 可 CPU 怎么知道现在执行到哪一条指令呢 ？
    • 为此，先驱为 CPU 创造了程序计数器（Program Counter，PC）
    • 在 x86 中，它有一个特殊的名字，叫（Extended Instruction Pointer，EIP）
    • 从此，计算机就只需做一件事
    1
    2
    3
    4
    5
    while (1) {
      从 PC 指示的存储器位置取出指令;
      执行指令;
      更新 PC;
    }

至此，我们就设计出了一个足够简单的计算机

只需将一段指令序列放入存储器，然后让 PC 指向第一条指令，这段指令序列就会被计算机自动执行～

例如，下面的指令序列可以计算1+2+...+100

其中r1和r2是两个寄存器，还有一个隐含的程序计数器PC，初值为0

为了帮助大家理解, 我们把指令的语义翻译成 C 代码放在右侧，其中每一行 C 代码前都添加了一个语句标号

1
2
3
4
5
6
0: mov  r1, 0         |  pc0: r1 = 0;
1: mov  r2, 0         |  pc1: r2 = 0;
2: addi r2, r2, 1     |  pc2: r2 = r2 + 1;
3: add  r1, r1, r2    |  pc3: r1 = r1 + r2;
4: blt  r2, 100, 2    |  pc4: if (r2 < 100) goto pc2;
5: jmp 5              |  pc5: goto pc5;

计算机执行以上的指令序列，最后会在 PC = 5 的指令处陷入死循环，此时计算已经结束，1+2+...+100的结果会被存放在寄存器r1中

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  • 事实上，开拓者图灵早在 1936 年就已经提出了类似的核心思想，「计算机科学之父」果然名不虚传
  • 而这个流传至今的核心思想，就是“存储程序” ！
  • 为了表达对图灵的敬仰，我们将上面这个最简单的计算机称为「图灵机，Turing Machine，TRM」
  • 或许你已经听说过图灵机这个作为计算模型时的概念
  • 但这里我们只强调一个最简单的真实计算机需要满足哪些条件：
    1. 结构上：TRM 有（存储器、PC、加法器、寄存器）
    2. 工作方式上：TRM 不断重复以下过程
    • 从 PC 指示的存储器位置取出指令 => 执行指令 => 更新 PC
  • 咦 ？（存储器、PC、加法器、寄存器）这些不都是数字逻辑电路课上学习过的部件吗 ？
  • 也许你会觉得难以置信，但你正面对着的这台无所不能的计算机，就是由只懂 0 和 1 的数字逻辑电路组成的 ！

blame my 数字逻辑电路 teacher, blame myself.

  • 可我们写的是 C 代码啊，这个冷冰冰的电路是如何理解凝结了人类智慧结晶的 C 代码的呢 ？
  • 先驱说：“计算机诞生的那些年还没有 C 语言，大家当时都是直接编写对人类来说晦涩难懂的机器指令，这也是最早的对电子计算机的编程方式了”
  • 后来人们发明了（高级语言 & 编译器），我们能直接编写高级语言代码，经由编译器处理，生成功能等价的，且 CPU 能理解的指令
  • CPU 执行这些指令，就相当于执行了我们写的代码

如今的计算机本质上仍然是”存储程序”这种工作方式

经过了无数计算机科学家们的努力，才使得我们今天可以轻松地使用计算机

（完）