【代码与算法的交响：人工智能视角下的CPU工作原理】

前言

• 本文主要是关于计算机cpu工作原理的介绍。

CPU是如何执行指令的

• 先加载到内存中 ，然后才能被CPU读取并执行。
• eg：一个Java程序，写出来是.java 源代码文件，编译得到.class二进制文件（仍然是在硬盘上），运行程序的时候，jvm会把这个.class 加载到内存中，再进一步翻译成cpu能识别的二进制指令。
• 冯诺依曼体系结构规定：一个程序，指令和依赖的数据，都是要在存储器中保存的，cpu如果要执行，都是要自动的从存储器中读取相应的指令。

CPU执行程序的三个阶段

• 1.读指令（把内存中的指令数据，读取到cpu的寄存器中）
  • cpu上也能存数据，存储数据的模块就叫做寄存器，速度比内存更快，但是存储空间更小，更贵。
• 2.解析指令（理解当前指令要干什么）
• 3.执行指令

指令表

• 指令表：是cpu内部写死的一个内容，已经内置在里面了。

• 每个CPU被设计出来都会提供对应的指令表，
  • RAM:内存（随机访问存储器）
  • cpu寄存器：数量是固定的，一般都是使用字母/数字的组合来命名的
  • 指令：由八位二进制数字组成，包括操作码和操作数。
    • opcode：操作码，用于区分是什么操作
    • 操作地址或寄存器：统称为操作数，针对什么数据进行操作（类似于函数的参数）。对于不同的指令有不同作用。
    • 实际上现代的cpu一条指令都是更长的，不仅仅是8位，但是大体也是由操作码和操作数构成。

CPU执行一条指令的具体实现流程 （以计算机计算3+14=17过程为例）

第一轮操作：

• （1）cpu 取出 0 号地址的指令

• （2）解析指令，首先根据指令的前四位①操作码去指令表查询到这个指令是LOAD_A指令。

-

• 然后要从后面跟着的地址②（1110 = 14）上读取数据到A寄存器中
• （3）执行指令
  • 把14地址这里的数据（00000011 = 3）取出来，放入到A寄存器中。

第二轮操作：

• （1）取指令 （由于刚才的指令不是跳转指令，所以PC中要取的地址就会顺延加1，也就是说现在的地址是1）

• （2）解析指令，根据指令前四位①操作码去查询指令表，我们可以知道这个指令是LOAD_B指令。

在这里插入图片描述

• 然后要从后面跟着的地址②（1111 = 15）上读取数据到B寄存器中。
• （3）执行指令
  • 把15地址这里的数据（00001110 = 14）取出来，放到B寄存器中。

⚠️注意：

• 内存中存的不全都是指令，有的地方存的是指令，有的地方存的是数据（指令还是数据是人为规定的），如果是指令，后面还会继续拆分。

第三轮操作：

• （1）取指令 （按照顺延顺序取得2号地址的指令）

-

• （2）解析指令，根据指令前四位①操作码去查询指令表，我们可以知道这个指令是ADD指令。

• 通过查看指令表我们可以得知，现在add指令后面的操作数不再是内存地址了，而是寄存器的编号。

• 操作码后面的操作数表示的是这两个寄存器的id分别是01和00
• 寄存器是固定数量的，通过编号来表示，CPU上每个寄存器都有名字（数字＋字母）。

我们假设01是A寄存器的id，00是B寄存器的id。现在我们通过操作码对应的ADD指令，把这两个寄存器中的数值进行相加，并将结果放入到第二个寄存器（00 —> A）当中。

• （3）执行指令
• 按照上面的操作，将相加结果17放入到第二个寄存器A中，现在A中应该放17，B还是14。

第四轮操作：

• （1）取指令 （按照顺延顺序取得3号地址的指令）

• （2）解析指令，根据指令前四位①操作码去查询指令表，我们可以知道这个指令是STORE_A指令。

• 这个指令的功能是把A寄存器中的数据（17）保存到后面操作数（13对应的单元中）描述的内存中

• （3）执行指令

第五轮操作：

• （1）取指令，顺序取出下一个指令

• （2）解析指令，指令表中未写，一般就表示，程序运行完毕。
• （3）执行指令，程序就退出了。

小结:

虽然计算步骤非常繁琐，但是由于拥有强大的cpu，使其一秒钟能运行3GHz - > 30亿轮。

内存地址

• 地址：是管理数据的方式，管理和存储数据都是根据地址展开的（eg：宿管根据门牌号进行宿舍的管理）
• 内存核心特性：随机访问是内存的核心特性，它使得宿管具有闪现功能，能够在极短时间内访问到任意房间的数据。之所以数组能够以O（1）复杂度取下标，本质上就是内存提供了随机访问的能力。
  • 1G就是1个billion,1个billion就是10亿，所以16G就是160亿。
  • 1M是1个million（百万）
  • 1K是一个thousand（千）
• cpu中有 一个专门的寄存器，保存接下来要从哪个内存地址来取指令（不同的 cpu 叫法不同），有些操作系统上称为“程序计数器”简称pc。

应用场景

• eg：你有一个服务器程序，这个程序非常重要，绝对不能挂，但是突然发现，这里存在严重的bug！！！但是又不能立即发布新版本重启，你希望能够在不重启服务器情况下把bug修复，应该怎么办？
  • 可以写一个特定的程序，通过特定的程序，直接修改服务器的内存数据，把要更新的代码，直接写到指定的内存中，并且修改原有的服务器指令中的逻辑，插入跳转指令，在触发bug逻辑之前，让程序跳转到新植入的逻辑中进行执行。