CPU 如何“知道”命令和指令的实际含义？

Question

处理器如何“知道”不同命令的含义？

我正在考虑汇编级命令，如 MOV、PUSH、CALL 等...

Answer 1

当计算机解释汇编级指令时，这些指令将转换为它们的二进制等价物供 CPU 读取。当 CPU 执行指令时，它会将指令的操作码部分解释为单独的“微程序”，其中包含它们的微码等价物。如您所知，一条完整的汇编指令由操作码和随附的任何适用数据组成（如果需要）（例如寄存器名称、内存地址）。

微码指令是非常低级的（比汇编更是如此），并控制控制微处理器中逻辑流的实际数字信号。例如，一条微代码指令可以用新值更新条件代码寄存器标志，或者将 CPU寄存器与ALU单元之一连接。更复杂的任务是可能的，但这向您展示了微码用于什么的一般概念。

从编译到执行的一般流程如下。汇编指令被组装（变成它们的二进制等效 0 和 1，或从现在开始，逻辑信号）。这些逻辑信号依次由 CPU 解释，并转化为更底层的逻辑信号，引导 CPU 的流程执行特定指令。这可能需要一个或多个时钟周期，具体取决于处理器的体系结构和设计（大多数处理器参考手册会告诉您执行特定指令需要多少个时钟周期，例如这条指令）。

所有这一切都是通过硬编程微代码（物理地嵌入处理器中的某种ROM 中，在制造过程中设置）完成的，它引导流通过实际的低级逻辑门。这提供了抽象汇编指令和处理器中的物理电气逻辑之间的接口。

因此，总而言之，处理器指令是由处理器组装和加载的。然后处理器将使用这些指令来查找与该特定指令对应的微程序（以微代码的形式），这就是“实际”执行指令的内容。一旦执行了特定指令的微代码（可能需要一个或多个时钟周期），处理器就会执行微代码以获取下一条指令，并且循环重复。

Answer 2

处理器并不真正“知道”命令是什么。命令只是二进制模式，它们使处理器执行我们解释命令的含义。

例如，ADD-R1-into-R2 操作将导致寄存器 1 和 2 的值到达 ALU（算术和逻辑单元），导致 ALU 使用加法器的输出而不是其他各种东西，并导致ALU的输出，以取代在寄存器2的值有简单的逻辑电路来实现所有这些事情（多路转换器，加法器，计数器，...），尽管真实处理器使用非常复杂的优化。

这有点像您在问汽车如何在您踩刹车时减速。汽车不知道，刹车踏板恰好间接控制了刹车片压在车轮上的硬度。

Answer 3

以告诉 x86/IA-32 处理器将立即数 8 位值移动到寄存器中的指令为例。此指令的二进制代码是 10110，后跟要使用的寄存器的 3 位标识符。AL 寄存器的标识符是 000，所以下面的机器代码用数据 01100001 加载 AL 寄存器。

10110000 01100001

这个二进制计算机代码可以通过用十六进制表示如下，使其更具人类可读性

B0 61

这里，B0 的意思是“将以下值的副本移入 AL”，61 是值 01100001 的十六进制表示，即十进制 97。英特尔汇编语言为这样的指令提供了助记符 MOV（move 的缩写），因此上面的机器代码可以用汇编语言编写如下，如果需要，在分号后附上解释性注释。这更容易阅读和记住。

http://en.wikipedia.org/wiki/Assembler_language

换句话说，当你“组装”你的汇编程序时，你的指令如

MOV AL, 61h

被转换为数字，CPU 将其关联一个特殊的含义，然后进行相应的操作。

Answer 4

推荐阅读：

• 克莱夫·麦克斯菲尔德 (Clive Maxfield) 的布尔布吉舞 (Bebop)
• 哈里斯和哈里斯的数字设计和计算机体系结构
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还可以查看CS152：加州大学伯克利分校的计算机体系结构和工程的课程笔记，这是一门学生实现 CPU 的课程。

如果你在谷歌上搜索“自制 CPU”，你会发现很多好东西。