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CPU 执行程序的秘密，藏在了这 15 张图里( 五 )


不同的 CPU 有不同的指令集 ， 也就是对应着不同的汇编语言和不同的机器码 ， 接下来选用最简单的 MIPS 指集 ， 来看看机器码是如何生成的 ， 这样也能明白二进制的机器码的具体含义 。
MIPS 的指令是一个 32 位的整数 ， 高 6 位代表着操作码 ， 表示这条指令是一条什么样的指令 ， 剩下的 26 位不同指令类型所表示的内容也就不相同 ， 主要有三种类型R、I 和 J 。
CPU 执行程序的秘密，藏在了这 15 张图里文章插图
一起具体看看这三种类型的含义：

  • R 指令 ， 用在算术和逻辑操作 ， 里面由读取和写入数据的寄存器地址 。 如果是逻辑位移操作 ， 后面还有位移操作的「位移量」 ， 而最后的「功能码」则是再前面的操作码不够的时候 ， 扩展操作码来表示对应的具体指令的；
  • I 指令 ， 用在数据传输、条件分支等 。 这个类型的指令 ， 就没有了位移量和操作码 ， 也没有了第三个寄存器 ， 而是把这三部分直接合并成了一个地址值或一个常数；
  • J 指令 ， 用在跳转 ， 高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址；
接下来 ， 我们把前面例子的这条指令：「add 指令将寄存器 R0 和 R1 的数据相加 ， 并把结果放入到 R3」 ， 翻译成机器码 。
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加和运算 add 指令是属于 R 指令类型：
  • add 对应的 MIPS 指令里操作码是 000000 ， 以及最末尾的功能码是 100000 ， 这些数值都是固定的 ， 查一下 MIPS 指令集的手册就能知道的；
  • rs 代表第一个寄存器 R0 的编号 ， 即 00000；
  • rt 代表第二个寄存器 R1 的编号 ， 即 00001；
  • rd 代表目标的临时寄存器 R2 的编号 ， 即 00010；
  • 因为不是位移操作 ， 所以位移量是 00000
把上面这些数字拼在一起就是一条 32 位的 MIPS 加法指令了 ， 那么用 16 进制表示的机器码则是 0x00011020 。
编译器在编译程序的时候 ， 会构造指令 ， 这个过程叫做指令的编码 。 CPU 执行程序的时候 ， 就会解析指令 ， 这个过程叫作指令的解码 。
现代大多数 CPU 都使用来流水线的方式来执行指令 ， 所谓的流水线就是把一个任务拆分成多个小任务 ， 于是一条指令通常分为 4 个阶段 ， 称为 4 级流水线 ， 如下图：
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四个阶段的具体含义：
  1. CPU 通过程序计数器读取对应内存地址的指令 ， 这个部分称为 Fetch（取得指令）；
  2. CPU 对指令进行解码 ， 这个部分称为 Decode（指令译码）；
  3. CPU 执行指令 ， 这个部分称为 Execution（执行指令）；
  4. CPU 将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存 ， 这个部分称为 Store（数据回写）；
上面这 4 个阶段 ， 我们称为指令周期（Instrution Cycle） ， CPU 的工作就是一个周期接着一个周期 ， 周而复始 。
事实上 ， 不同的阶段其实是由计算机中的不同组件完成的：
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