小速学编程：CPU的结构、指令与程序初探陈小速：一名职业技术学院计

【小速学编程：CPU的结构、指令与程序初探】陈小速：一名职业技术学院计算机技术与应用专业的学生，他梦想成为一名程序员。
吴进：一所重点大学软件工程专业大三学生，编程经验丰富。
阅读本文之前，可以先温习一下历史文章：小速学编程：计算机系统的组成
引言陈小速如约来找吴进了，一见面他就嚷道：“吴大哥，我回去以后就给同学们讲解计算机的系统组成原理了。没想到，同学们问了我很多细节问题，一下子还回答不上来。不过我想既然原理都明白了，那找答案也快吧。果然，我一边教一边找答案，我自己都觉得比以前更明白了。 ”
“那就好， ” 吴进温和地笑着， “我想你也会有新的问题吧？”
“是的， ” 陈小速腆着脸笑了起来， “所以这就又过来找吴大哥了。 ”
“我能理解，学习到一个阶段之后，自然会有新的问题出来，这样才能一直进步嘛。今天我先问你一个问题，你知道CPU是怎么工作的吗？” 吴进说着望向了陈小速。
陈小速默思了一会儿，说：“我看了一些书上的内容， CPU执行运算是通过接收指令的，对吧？然后这个指令，我理解它就像是一个命令一样，让CPU干啥就干啥，是这意思吗？”
“原理没错， ” 吴进仍然表示了肯定， “但这样描述的话，模糊的地方太多了。我们应该追问的更深入一些，这样才不会停留在似懂非懂的状态。这也是我学习时的一个习惯，如果我对一个东西好奇，就一定会把它弄透。 ”
“向吴大哥学习。 ” 陈小速真心诚意地说。
“好了，我们先从第一个问题开始。 CPU的结构是怎样的？”吴进开始了讲解。
文章插图
CPU的结构现代计算机的理论基础是冯·诺依曼提出的“存储程序”思想。其实这是一个很简单的概念，就是说处理器要从存储设备中读取指令代码并执行。
说起来好像废话一样，但在谁也不知道该怎么设计计算机的时候，提出了开创性的思想就是相当了不起的成就。
有了“存储程序”的概念， CPU应该包括的功能也就能确定了。首先要能运算，这在CPU内被称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。
有了ALU ，接下来就要从存储中读取数据了。待运算的数据会放在寄存器内，而待执行的指令则会放在L1 ， L2 ， L3 cache三级高速缓存中。
有了存储，就需要一个控制器，决定何时从存储中读取指令，并交给ALU进行计算了。这样，一个CPU的基本结构就出来了，它包括ALU、寄存器与高速缓存，还有控制器。
这是核心部件，但数据要送进来，计算完了结果还输出去，那就还需要I/O模块，通过总线完成数据的输入输出操作。
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指令看到上面这张图，陈小速点了点头，说：“吴大哥，我明白了。实际的CPU肯定比这个要复杂得多，但这个原理我是完全理解了。 ”
吴进赞许地拍了拍陈小速的肩膀，说：“那再问你一个问题，什么是CPU能执行的指令？”
陈小速茫然地摇了摇了头，说：“我只知道它就像命令一样，具体是什么样的我还真不知道。 ”
吴进又开始对指令进行讲解。
一条指令是CPU能执行的最小功能单元，而单个指令的功能也是很单一的。例如加法指令，就是将两个数相加。而由功能单一的指令所构成的集合，就被称为指令集。
以一个加法的实现为例说明。
现在主内存中有两个数字a和b ，我们要计算a+b的结果。我们定义三个指令来完成这件事：

load指令，将数据从内存读取到寄存器中；
add指令，完成加法运算；
store指令，将寄存器中的数据写入到内存中。

一条指令的格式是“操作符操作数1 操作数2” ，其中load、add、store就是操作符，操作数就是存放在寄存器或者内存中的数据。
执行过程如下：

 load 寄存器1 a;将数字a从内存中复制到寄存器1中 load 寄存器2 b;将数字b从内存中复制到寄存器2中 add 寄存器1 寄存器2； 将寄存器1和寄存器2的内存相加 ， 结果保存在寄存器1中 store 寄存器1 主内存； 将寄存器1的内存写到主内存中

看到这里，陈小速拍着脑袋，又站起来口中念念有词，来回踱步了。吴进也没有打扰他，只是微笑地看着他。