计算机速成课 第八集 指令和程序

1. 给 CPU 一些指令来运行

• CPU 强大，是因为可编程
• 写入不同指令，就会执行不同任务
• 是一块硬件，可以被软件控制

2. 举例：00101110

• 假设前 4 位是操作码，后四位指定一个内存地址，或寄存器
• 假设 0010 代表 LOAD_A 指令，然后把后四位 1110（十进制的14） 指定内存地址的值，放入寄存器A。于是，我们把 0010 1110 看成 “LOAD_A 14” 的指令
• 具体举例：“LOAD_A 14”是从地址 14 中拿到数字 3，放入寄存器 A（最好看图，大家可以看原视频，更清晰）
• 两个寄存器里面的数字相加，顺序很重要，因为结果会存在第二个寄存器
• 视频用到的指令：LOAD_A, LOAD_B, STORE_A, ADD, SUB, JUMP, JUMP_NEG HALT
• SUB：减法
• JUMP：跳转：让程序跳转到新位置
  • JUMP 0 可以跳回开头
  • 底层的实现方式是把指令后 4 位代表的内存地址的值覆盖掉“指令地址寄存器”里的值
  • 只有特定条件满足了，才能 JUMP，比如 JUMP NEGATIVE 就是条件跳转的一个例子
  • 其他类型的 JUMP
    • JUMP IF EQUAL: 如果相等
    • JUMP IF GREATER: 如果更大
• JUML_NEGATIVE
  • 只在 ALU 的“负数标志”（算数结果为负，“负数标志”才是真）为真时，进行 JUMP，如果是假，就会执行
• HALT
  • 计算机需要知道什么时候该停下来，否则 CPU 会不停地跑下去，这叫无限循环（infinite loop）
  • 指令和数据：都是存在同一个内存里面的，在根本层面上没有什么区别，都是二进制数，HALT 很重要，能区分指令和数据

3. 软件强大之处

• 让我们做到硬件做不到的事情，例如：ALU 没有除法功能，程序给了我们这个功能，
• 两种策略：
  • 出现原因：因为 4 位二进制无法表示数字 17，因此，真正的现代 CPU 用两种策略： ，最直接的方法是用更多位来代表指令，比如 32 位或 64 位，这叫指令长度。
  • 策略1: 指令长度（instruction length）
  • 策略2: 可变指令长度（variable length instruction）：
    • 例如：某个 CPU 用 8 位长度的操作码，如果看到 HALT 指令，HALT 不需要额外数据，那么会马上执行
    • 如果看到 JUMP，它得知道位置值，这个值在 JUMP 的后面，这叫「立即值」（Immediate Value）
    • 这样设计，指令可以是任意长度，但是会让读取阶段复杂一点点

4. 真实的例子

• 1971 年，英特尔发布了 4004 处理器，是第一次把 CPU 做成一个芯片，给后来的英特尔处理器打下了基础
• 它支持 46 个指令，足够做一台能用的电脑，
• 处理器从 1971 年到现在发展巨大，现代 CPU，例如英特尔酷睿 i7，有上千个指令和指令变种，长度从 1 到 15 个字节
• 指令越来越多，是因为给CPU设计了越来越多的功能