大家都知道，作業系統、計算機組成原理、資料結構與演算法、計算機網路、被稱作計算機四大基礎課。不但是計算機專業考研的四門專業課,而且是每一個程式設計師必須掌握的內容。其實大家能夠看到，為什麼絕大多數企業都不想招培訓班出來的“程式設計師”，其中有一個非常重要的原因就是他們的計算機基礎知識過於薄弱，也就是上面說到的四門課程。
最近發現，研究計算機組成原理其實是非常有意思的一件事情。為什麼這樣說呢？不知道你有沒有想過，當你寫完一個程式之後（以c語言程式為例子），原始碼通過編譯器編譯成組合語言，然後組合語言再通過解釋，成為機器語言，經過黑盒子（你不知道的方式），得到你想要的結果。你只是看到了程式輸出的最終結果，卻不知道為什麼能夠得到你想要的最終結果，對吧。
那麼，你有沒有想過，一個程式究竟是如何跑起來的呢，究竟在計算機的最底層經過了怎樣的執行過程呢？這就是我的這篇博文想要展示給大家的。

概述

我們知道，計算機是由軟體和硬體共同組成的。沒有硬體，軟體就沒有用武之地；沒有軟體，硬體就只能是一堆廢鐵。
而軟體又分為兩類：

• 系統軟體
• 應用軟體

其實這是從巨集觀上的封裝和層次劃分，對相關的內容沒有了解的開發者理解起來可能會有些難度，不過這不是我們今天的重點。
我嘗試著從程式設計師的視角來給大家分析一下，一個程式的完整執行過程。

計算機如何才能執行程式？

還是接著從序言的部分說起。
我們所用的語言，不論是C語言、Java還是其他的什麼語言，都是屬於高階語言。而高階語言編寫的程式，計算機肯定是不能直接執行的，因為計算機只能識別0和1。為了能夠讓計算機執行高階語言編寫的程式，需要經過下面的這些步驟：

首先，高階語言程式通過編譯器編譯，成為組合語言；然後這個彙編程式再經過一個不知道的步驟成為機器語言。
究竟是經過了什麼樣的過程，組合語言才會變成機器語言呢？這需要一個東西介入。
就是我們剛才提到的系統軟體，泛泛的講就是作業系統。
作業系統是負責和底層的硬體進行互動的，也就是說，這個把組合語言變成機器語言的東西，只能是作業系統。如果你下過jdk，如果你夠細心，你會發現有arm、i586、x64等型別。這是為什麼呢？就是因為計算機硬體或者說晶片是不基於不同的指令集的，那麼相同的彙編程式，經過作業系統，轉換成對應的機器語言肯定也是不同的。順便說一下，我們今天的主題是機器語言在底層硬體的流轉。

經過這裡，我們成功得到了機器語言。當作業系統將彙編程式解釋成對應的指令集的機器語言之後，就要看硬體部分究竟是如何處理機器語言的了。
我們前面說的指令系統，就是解釋執行機器語言的，這樣看來，機器語言實際上就是微指令。
總的來講，指令系統也好，微指令系統也好，其功能就是來控制硬體執行的。所以，在指令系統得到了機器語言（微指令）後，對硬體進行的相關操作，才是能使我們程式執行的根本原因。
到這裡，我們知道了

• 只有機器語言計算機才能夠識別並執行
• 相同的組合語言程式在不同指令集平臺下生成的機器語言是不同的
• 機器語言就是微指令
• 微指令系統的作用就是指揮計算機的各部分工作

好了，只有知道了這些內容，我們才能進行後續的東西。

現代計算機的結構

剛才說了，微指令系統是指導計算機硬體執行的。那麼，這些計算機硬體都包括什麼呢？
眾所周知，現代計算機是在馮若依曼體系計算機的基礎之上發展起來的，在開始我們的講述之前，瞭解下馮若依曼計算機的結構還是很有必要的。

• 運算器：進行算數邏輯運算
• 儲存器：存放資料以及程式
• 控制器：控制程式、資料、運算處理結果
• 輸入裝置：將指令轉換成機器可識別的機器語言
• 輸出裝置：將指令轉換成人可以識別的內容

可以看到，馮諾依曼結構的計算機是以運算器為核心的，而現在的計算機則是以儲存器為核心的。這其中的原因暫不表述，有興趣的可以查閱相關資料。
雖然現代計算機是以儲存器為中心的，但是還是基於馮若依曼體系的。馮若依曼體系計算機的特點現代計算機都有。
現代計算機的結構是這樣的：（純手畫，略醜，見諒）

主機中由主儲存器和CPU組成，再有就是外部的IO裝置，現代的計算機結構雖然和馮諾依曼結構有些不太一樣，但是仍是基於馮諾依曼結構的。
注意：這裡面有一個非常重要的內容，那就是指令的格式。
剛才說了，指令其實就是機器語言，那麼，一條機器語言的格式究竟是什麼樣子呢？是這樣的：機器語言或者說指令，分為兩個部分，一部分是操作碼，另外一部分是資料地址。
比如說，我現在要做的操作是將0000111011地址的資料存到儲存器之中，那麼操作就是這樣的：

前面的是指令碼，後面的是地址碼。我們發現，在這種情況下，地址碼和指令碼都是二進位制的資料，處於同樣的地位，這也是馮若依曼體系計算機的一大特點。
好了，瞭解了以上內容，我們馬上就能看到一個程式究竟是如何跑起來的了。

計算機的工作過程

我們上面看到了現代計算機的體系結構：儲存器、算數邏輯（運算器）、控制單元（控制器），當然還有IO裝置。
現在，我們知道了微指令（機器語言）就是在這些部件之中游走，完成程式的操作，但是具體是如何遊走的，或者說微指令系統是如何執行機器語言的，我們仍然不知道。
就我們目前掌握的內容來看，只能瞭解到這個層次了，若要是想再進一步，我們對更底層的東西還是要再進行分解。

儲存器

下圖是儲存器的基本結構：

看了這張圖你可能會-有很多的疑問，比如說儲存體是個什麼東西？其實，再細分的東西，這篇部落格就暫不作介紹了，因為並不影響我們的閱讀，如果你感興趣的話，歡迎持續關注我的部落格，我會把漫談計算機組成原理作為一個系列的文章，來仔細為大家講述計算機組成的奧祕。
對於儲存體，你只需要知道這就是個儲存的部件即可，可以存放資料。
MAR：儲存器地址暫存器；MDR：儲存器資料暫存器。
所謂的暫存器，就是臨時存放的意思。所以，上面兩個就是臨時存放地址和資料的地方。至於為什麼這麼叫，再最後一部分你會非常明白的，這裡我就先不做介紹，你只需要知道有這麼個東西就行了。

運算器

這是運算器的結構圖。
我們知道，運算器就是做邏輯運算的，比如說加減乘除等運算，簡而言之就是做資料處理的。
圖中顯示的什麼累加暫存器、乘商暫存器等這些東西，不必讓這些名詞困擾你。我來簡單說一下，累加暫存器就是差與和存放的地方。那麼你就會問，為啥有差、和卻叫累加暫存器呢？那是因為在計算機中是沒有減法的，如果有，那就是加上一個負數而已，只能是這樣。至於乘商暫存器肯定就是放乘積和商的地方了。
至於X，這貨叫運算元暫存器。比如說X+3。X是放到ACC中的，這個後面的加數就是放在X這個暫存器中，等待著操作的進行。

控制器

控制器的作用：解釋指令，保證指令有序執行。
控制器的結構如下：

剛才我們講，再馮諾依曼體系中，指令和資料是以同等的地位存在於系統之中的，也就都是二進位制。你也看到了一條指令的格式。地址碼指向的是IO裝置的地址，而控制碼呢？計算機是如何知道這條指令要執行的是加法操作還是乘法操作呢？實際上，操作碼就是存放在CU控制單元之中的。指令暫存器會對CU控制單元發出請求，得到的就是具體的操作。
PC的作用又是什麼呢？它的作用實際上是執行完當前指令後，自動加一。也就指向了下一個地址，那裡又存放著一條指令，然後繼續這個過程。

主機完成指令的過程

好了，終於走到了最後一部分。
在前面的幾個過程中，你瞭解到了現代計算機的每一個部件的組成以及具體功能，在知道了這些內容後，下面的東西理解起來是會很簡單的。在最後的這一部分，我會舉出兩個具體的例子，讓你知道程式程式碼最終形成的機器語言究竟是如何執行的。

取數指令

描述：簡單的講，就是把一個數取出，存到ACC（一般加法操作時，ACC就是作為被加數）中的具體過程。先來看下面的這張圖，最好結合著我下面的介紹看。

• 1.程式計數器+1，開始指向下一個地址。
• 2.儲存器地址暫存器中存放著下一個地址，根據這個地址（地址暫存器的名字來歷），指向儲存體中的指令資料。
• 3.從儲存體得到資料，存入資料暫存器（資料暫存器的名字就是這麼來的）
• 4.得到指令，格式為指令碼+操作碼（當前操作就是：取數操作-地址），指令寫入IR指令暫存器中。
• 5.指令暫存器詢問CU控制單元當前是何種操作，得到取指令操作的回覆
• 6.指令中的資料地址存入地址暫存器
• 7.通過地址暫存器得到儲存體中當前地址儲存的資料
• 8.得到的資料存入資料暫存器中
• 9.資料暫存器中的資料寫入ACC，完成整個操作
• 10.PC程式計數器+1，開始新一輪的判斷。

有了這個，相信你已經對整個操作過程有了很深刻的理解，下面我們再來一個例子，加深理解。

ax^2+bx+c程式執行過程(程式程式碼已經成為了機器語言)

• 1.程式由IO裝置送至計算機
• 2.PC+1，得到程式首地址
• 3.程式開始啟動
• 4.取數指令：PC–>MAR–>儲存體–>MDR–>IR(指令暫存器)
• 5.分析指令：取出指令暫存器中的操作碼，送入CU控制單元進行分析，得到指令意義
• 6.執行指令：取出IR中的地址碼–>MAR—>儲存體–>MDR–>ACC
• 7.PC+1=PC，得到新的地址
• 8.取數指令：PC–>MAR–>儲存體–>MDR–>IR(指令暫存器)
• 9.分析指令：取出指令暫存器中的操作碼，送入CU控制單元進行分析，得到指令意義
• 10.執行指令：取出IR中的地址碼–>MAR—>儲存體–>MDR–>X
• ……
• 最終出現結果
• 程式執行完畢

好了，進行到這裡，我們的漫談計算機組成原理的第一篇文章就算是結束了。如果大家發現我的部落格存在問題，或者大家有什麼疑問的地方，歡迎私信我，歡迎志同道合的夥伴聯絡我！郵箱:roobtyan@aliyun.com