1.2 CPU是寄存器的集合體

CPU的四個(gè)構(gòu)成部分中，程序員只需要了解寄存器即可，其余三個(gè)都不用太過(guò)關(guān)注。那么，為什么必須要了解寄存器呢？這是因?yàn)?span id="niz4hml" class="bold">程序是把寄存器作為對(duì)象來(lái)描述的。

首先我們來(lái)看一下代碼清單1-1。這是用匯編語(yǔ)言（assembly）編寫(xiě)的程序的一部分。匯編語(yǔ)言采用助記符（memonic）來(lái)編寫(xiě)程序，每一個(gè)原本是電氣信號(hào)的機(jī)器語(yǔ)言指令都會(huì)有一個(gè)與其相應(yīng)的助記符，助記符通常為指令功能的英語(yǔ)單詞的簡(jiǎn)寫(xiě)。例如，mov和add分別是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)（move）和相加（addition）的簡(jiǎn)寫(xiě)。匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言基本上是一一對(duì)應(yīng)的。這一點(diǎn)和C語(yǔ)言、Java語(yǔ)言等高級(jí)編程語(yǔ)言有很大不同，這也是我們使用匯編語(yǔ)言來(lái)說(shuō)明CPU運(yùn)行的原因。通常我們將匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序轉(zhuǎn)化成機(jī)器語(yǔ)言的過(guò)程稱為匯編；反之，機(jī)器語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)化成匯編語(yǔ)言程序的過(guò)程則稱為反匯編。

代碼清單1-1 匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序示例

      mov  eax, dword ptr [ebp-8]    …把數(shù)值從內(nèi)存復(fù)制到eax
      add  eax, dword ptr [ebp-0Ch]  …eax的數(shù)值和內(nèi)存的數(shù)值相加
      mov  dword ptr [ebp-4], eax    …把eax的數(shù)值（上一步的相加結(jié)果）存儲(chǔ)在內(nèi)存中

通過(guò)閱讀匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼，能夠了解轉(zhuǎn)化成機(jī)器語(yǔ)言的程序的運(yùn)行情況。從代碼清單1-1的匯編語(yǔ)言程序示例中也可以看出，機(jī)器語(yǔ)言級(jí)別的程序是通過(guò)寄存器來(lái)處理的。也就是說(shuō)，在程序員看來(lái)“CPU是寄存器的集合體”。至于控制器、運(yùn)算器和時(shí)鐘，程序員只需要知道CPU中還有這幾部分就足夠了。

代碼清單1-1中，eax和ebp表示的都是寄存器。通過(guò)閱讀剛才的示例代碼，想必大家對(duì)程序使用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和加法運(yùn)算這一情況應(yīng)該有所了解了。匯編語(yǔ)言是80386以上的CPU所使用的語(yǔ)言。eax和ebp是CPU內(nèi)部的寄存器的名稱。內(nèi)存的存儲(chǔ)場(chǎng)所通過(guò)地址編號(hào)來(lái)區(qū)分，而寄存器的種類則通過(guò)名字來(lái)區(qū)分。

上文可能有些難以理解，不過(guò)不用擔(dān)心，因?yàn)槲覀儾⒉灰蟠蠹冶仨氄莆誄PU的所有寄存器種類和匯編語(yǔ)言，大家只需對(duì)CPU是怎么處理程序的有一個(gè)大致印象即可。也就是說(shuō)，使用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序會(huì)在編譯后轉(zhuǎn)化成機(jī)器語(yǔ)言，然后再通過(guò)CPU內(nèi)部的寄存器來(lái)處理。例如，a=1+2這樣的高級(jí)語(yǔ)言的代碼程序在轉(zhuǎn)化成機(jī)器語(yǔ)言后，就是利用寄存器來(lái)進(jìn)行相加運(yùn)算和存儲(chǔ)處理的。

不同類型的CPU，其內(nèi)部寄存器的數(shù)量、種類以及寄存器存儲(chǔ)的數(shù)值范圍都是不同的。不過(guò)，根據(jù)功能的不同，我們可以將寄存器大致劃分為八類，如表1-1所示。可以看出，寄存器中存儲(chǔ)的內(nèi)容既可以是指令也可以是數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)分為“用于運(yùn)算的數(shù)值”和“表示內(nèi)存地址的數(shù)值”兩種。數(shù)據(jù)種類不同，存儲(chǔ)該數(shù)值的寄存器也不同。CPU中每個(gè)寄存器的功能都是不同的。用于運(yùn)算的數(shù)值放在累加寄存器中存儲(chǔ)，表示內(nèi)存地址的數(shù)值則放在基址寄存器和變址寄存器中存儲(chǔ)。代碼清單1-1的程序中用到的eax和ebp分別是累加寄存器和基址寄存器。

表1-1 寄存器的主要種類和功能

對(duì)程序員來(lái)說(shuō)，CPU是什么呢？如圖1-3所示，CPU是具有各種功能的寄存器的集合體。其中，程序計(jì)數(shù)器、累加寄存器、標(biāo)志寄存器、指令寄存器和棧寄存器都只有一個(gè)，其他的寄存器一般有多個(gè)。程序計(jì)數(shù)器和標(biāo)志寄存器比較特殊，這一點(diǎn)在后面的章節(jié)中會(huì)詳細(xì)說(shuō)明。另外，存儲(chǔ)指令的指令寄存器等寄存器，由于不需要程序員做多關(guān)注，因此圖1-3中沒(méi)有提到。

圖1-3 程序員眼中的CPU（CPU是寄存器的集合體）