计算机组成原理之指令（三）
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前言
怕什么真理无穷，进一寸有一寸的欢喜。 -- 胡适
在粗略学习完计原硬件相关的知识后，进入到学习计原指令，心底其实还是挺迷惑的，指令这一块到底有啥好学的呢？具体又要怎么学呢？学了之后对我未来编码又有那些帮忙呢？也很清楚抱着好奇心与问题去学习是最好的，但成年人的世界往往是需要抱着任务去学习。
一、什么是计算机指令
计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计算机的工作过程。
如下图为曾经古老的编码方式，在纸带上打卡用来表示0或1，然后再交给计算机处理；
为什么要用如此低效的方式进行编码呢？
原因其实很简单，那就是CPU只能识别0，1这样的机器语言，那怕是今天的计算机也还是如此，只不过是现在我们有了高级语言以及更加好用的集成开发工具而已。
通过高级语言编写的代码是如何转变成CPU能识别的机器语言呢？
高级语言--经过编译--> 汇编语言 --汇编器--> 机器语言
过程如图所示：
高级语言为什么不直接转化成机器码呢？
原因其实很简单，那就是机器码不够直观，而汇编语言与机器码一一对应，其可以说是给程序员看的机器语言。如下代码，左边为机器码，与之一一对应的右边为汇编码。
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 二、常见的计算机指令
常见的指令有如下五类
三、指令层面看代码的执行过程
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。
除了简单地通过 PC 寄存器自增的方式顺序执行外，条件码寄存器会记录下当前执行指令的条件判断状态，然后通过跳转指令读取对应的条件码，修改 PC 寄存器内的下一条指令的地址，最终实现 if…else 以及 for/while 这样的程序控制流程。
- 下面以一段代码做为样例来说明该过程
int main()
{
srand(time(NULL)); // 使用当前时间进行随机数发生器的初始化
int r = rand() % 2; // rand 生成了一个随机数 r，r 要么是 0，要么是 1
int a = 10;
if (r == 0)
{
a = 1;
} else {
a = 2;
} - 进行编译
$ gcc -g -c test.c
$ objdump -d -M intel -S test.o - 汇编代码与机器码如下
省略部分代码。。。
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
} 代码解说：
- 1. r == 0 的条件判断，被编译成了 cmp 和 jne 这两条指令，cmp比较前后两个操作数的值，DWORD PTR 代表操作的数据类型是 32 位的整数，而 [rbp-0x4] 则是一个寄存器的地址。
- 2. jne 指令，是 jump if not equal 的意思，它会查看对应的零标志位。如果为 0，会跳转到后面跟着的操作数 4a 的位置。这个 4a，对应这里汇编代码的行号，也就是上面设置的 else 条件里的第一条指令。当跳转发生的时候，PC 寄存器就不再是自增变成下一条指令的地址，而是被直接设置成这里的 4a 这个地址。这个时候，CPU 再把 4a 地址里的指令加载到指令寄存器中来执行。
- 3. mov 指令把 2 设置到对应的寄存器里去，相当于一个赋值操作。然后，PC 寄存器里的值继续自增，执行下一条 mov 指令。
- 4. mov 指令的第一个操作数 eax，代表累加寄存器，第二个操作数 0x0 则是 16 进制的 0 的表示。这条指令其实没有实际的作用，它的作用是一个占位符。
总结：通过上述的分析发现对于计算机而言程序的指令默认是顺序执行的，而对于复杂的if条件判断语句或for循环这类语句，其实也只是改变了PC寄存器中的地址罢了。
注：极客时间徐文浩老师的深入浅出计算机组成原理