目录《工作五年，我从零开始学代码》

上篇文章《工作五年，我从零开始学代码》

硬件层

数据通路

微程序

指令

栈

内存模型

IJVM指令集

硬件层执行指令

总结

硬件层

数据通路

请让我们忘记一切语言、代码和框架，回到只有一堆三极管和导线的年代。三极管是个神奇的电子器件，它有三个引脚，分别为基极、集极、射极。基极接Vin，集极接Vcc，射极接GND

Vin 输入信号电压；Vout 输出信号电压；Vcc 电源电压；GND 地端

若基极Vin电压大于某个电压，如1.5v，则三级管导通，Vout电压等于GND，逻辑上为0；若基极Vin电压小于1.5v，则三级管不通，Vout电压等于Vcc，逻辑上为1。以上可以理解为非门

接着把两个三极管串联起来，我们就得到了与非门

接着把两个三极管并联起来，我们就得到了或非门

是不是很有意思？假如你是一名出色的电子工程师，继续将三极管以各种奇奇怪怪的方式连接起来，那么你就得到了最基本的电路，例如以下几种：

1、译码器，将n个输入信号转换为2的n次方种输出结果。ABC为三个输入，D0~D7为八个输出，改变输入的组合，就可以使其中一个输出为高电平。假设我们内存条上有八块存储芯片，可以使用译码器来选择使用哪块

2、多路选择器，改变ABC三位控制信号，从D0~D7个输入信号中选择一个输出

3、比较器，比较两个字（假设一个字为4bit）的大小，相等返回1，否则为0

4、移位器，对n位输入信号进行左移右移并输出

5、加法器，对两个输入字进行相加并输出

6、算法逻辑部件ALU，每台计算机都有一个简单的电路，用来完成两个字的与、或、和等运算

7、内存，触发器/锁存器是构成内存的基本电路，能够记住输入信号的值（0或1）。为了简单理解可以将内存看做是一个地址线性增长的二维数组，如下图，地址从0到11，每一行由8个触发器/锁存器组成，能够存储8个bit

8、寄存器，本质上与内存一样，都是用于存储数据的电路。只不过内存放在cpu外部，通过总线进行交互，而寄存器放在了cpu内部

9、总线，负责将各种基本电路连接起来，可以将其理解为n条并行导线组成的。n条导线中，有些负责传输控制信号，有些负责传输数据。假设n条导线中有x条导线负责传输数据，就可以同时传输x位

......

上面列举了这么多基本电路，就是为了让你穿越到太古时期：这里没有代码，只有三极管和导线。身为猪脚的你继续奋发图强，很快就将这些基本电路组合了起来，形成第一个数据通路，如下图。它的功能是选中一个寄存器，通过B总线将数据传输到ALU，ALU经过计算，通过C总线将结果写入寄存器。PC寄存器指向了内存中下一条指令的偏移量，MBR寄存器保存了要执行的指令

1、数据通路是cpu最基本的动作，数据通路运行完毕所需的时间等于时钟周期的时间。时钟周期越短，频率也就越高，通常计算机的性能会更好

2、能够看出，数据通路的直接输入输出是寄存器。如果要读写内存，直接向对应的内存控制寄存器读写即可

微程序

有了数据通路，如何控制其行为呢？比如需要4位控制信号来选择一个寄存器输出数据到B总线；需要8位控制信号来指定ALU执行加/或/与运算中的一种；需要n位控制信号指定将结果写入到哪个寄存器。诸如此类，在一个数据通路周期中，共需要36位控制信号。话句话说，数据通路完整地执行一圈，需要36位控制信号来控制其行为，具体形式为010001010111110101001010111111101010，改变0和1的不同有意义组合，数据通路就对应不同行为

这36位控制信号就叫做微指令（注意这里的微‘指令’与PC寄存器指向的‘指令’不是一回事），前9位储存下一条微指令地址，接着3位控制JAM，接着8位控制ALU...

但是上面一串01非常不直观，我们引入一种符号表示，仅仅用于书写和分析。比如在一个数据通路周期中，想要SP寄存器的值加1，并启动读内存操作，并且取下一条微指令，可以这样写：SP=SP+1;rd

下面，将补全数据通路缺失的控制信号部分，形成一个完整的物理计算机Mic-1。图的左边为数据通路，右边为控制信号。所有的微指令都保存在微程序控制存储器中，可以把它理解为一块只读内存。保存的这些所有微指令组成了微程序

微程序是如何运行的呢？当通电后，从MPC所指向的控制存储器位置读出微指令加载到MIR，完成后各个不同的信号就开始在数据通路中传送了。某个寄存器把值放在B总线上，ALU知道该执行什么操作，输出经过移位器和C总线，写入到某个寄存器中。同时会利用MBR、ALU结果N和Z、微指令的Addr和JMPC位，计算出下一条微指令的地址，保存进MPC。此时就进入下一次的数据通路周期了，如此循环往复，直到关闭电源

但有一个问题，没有思想的各个组件是如何知道什么时候该执行什么操作呢？随着时间不断向前，一个数据通路周期又是如何确定的呢？这里引入时钟周期的概念，时钟周期是一个方波，来自时钟源，一种能够产生周期性稳定方波信号的器件，波峰为高电平，波谷为低电平，当然你也可以反过来。由高电平变为低电平的过程叫做下降沿，反之称为上升沿。下图中黑色实线部分分别为时钟周期1和时钟周期2

下面将以时序的维度再次描述微程序的运行过程。在第一个时钟周期开始处，下降沿会驱动MPC从所指的地址处读出微指令加载到MIR，这个过程a花费Δw时间，因为电子在导线和器件中传输并非没有时间，而是会经历一个小的延迟，就像图中从高电平变为低电平的过程，是一个并不垂直的线。换句话说，必须经过Δw时间之后，a过程才能够稳定，MPC和MIR输出的值才是正确的。接着MIR驱动H和B总线工作，经过Δx后稳定。后面还要再经过ALU、移位器、C总线的稳定过程。此刻，时钟周期由低电平变为高电平（上升沿），驱动了C总线和内存的值写入寄存器。再经过一段时间后，MPC的值也稳定了。随着时钟周期的再次变化（下降沿），下一个周期就开始了

在一个时钟周期内，只有下降沿和上升沿是真实发生的，至于其中的ΔwΔx则是电子器件的延时时间，并没有一个明确的信号来告诉电子器件开始或结束，完全是依靠生产商来保证在规定时间内一定会完成并稳定

介绍完运行原理，最后一步就是将微程序写入存储控制器了，微程序如下：

第一列是标号（仅仅帮助记忆），第二列是微指令的符号表示，第三列是微指令功能介绍。具有相同标号前缀的若干微指令，用于实现对应的指令，比如ireturn1~ireturn8（被称为微指令序列）用于实现指令ireturn。为了表示方便，ireturn1~ireturn8放在一起，但在实际的存储上不是按顺序的，每条微指令都包含一个指向下条微指令地址的字段。尽管不是按照顺序保存的，但是ireturn1的地址与ireturn的标号（下面会讲到指令）是相同的，一一映射不可更改，用于执行时，能够从ireturn所指向的控制存储器地址找到ireturn1

到现在为止，你已经完成了机器的电子线路部分

指令

就像网络分为五/七层，计算机也分为若干层次，指令层在硬件层之上，硬件层负责解释执行指令层的指令。拿产品经理与程序员的关系类比一下，产品经理先画出原型图，而后程序员负责用代码实现它，同样，先设计好指令，后有硬件层实现。但是硬件也会影响指令设计，就像你对产品说，这个实现起来代价太大，我们换种方案吧。请注意，这篇文章先介绍了物理层实现，后介绍指令实现，是倒置的

现在，开始实现我们的指令集——IJVM。它参考了JVM的指令集、内存布局、执行方式（基于栈）。只不过IJVM是极度简化的，仅能够做整数运算，而且它是一台真正的物理机，而不是像HotSpot一样的虚拟机

聪明的你可能已经从上面一段话中看出了端倪，内存布局、执行方式等等是与指令集密切关联的，它们之间互相影响。下面先分别介绍基于栈的执行方式，和IJVM内存布局

栈

IJVM支持方法调用，每个方法有自己的局部变量，在方法内部可以访问这些变量，而方法一旦返回，这些变量就不存在了。这里就有一个问题：这些变量应该保存在内存的什么位置呢？

最简单的方案是给每个变量一个绝对的内存地址，但是实际上该方案行不通，问题在于方法可以调用自己（也就是方法的递归调用)，如果一个方法被调用了两次，那么就不可能把局部变量保存在绝对内存地址中，因为第二次调用写入的局部变量将会影响第一次调用的局部变量值。因此必须使用其它的方案，我们可以使用称为栈的内存区域来保存变量，栈中的变量并没有绝对地址，而是使用寄存器LV指向当前方法的局部变量结构的基地址。在图1-a中，方法A被调用，它有3个局部变量al、a2和a3，它们被保存在从LV寄存器所指的内存地址开始的内存段中。另一个寄存器SP，指向A的局部变量中的地址最高的一个字。如果LV的值是100，每个字的长度为4个字节，那么SP的值就是108。通过给出变量相对于LV的偏移量来访问变量。LV和SP之间的数据结构（包括这两个寄存器指向的字）称为A的局部变量结构

现在我们来看一看如果A调用了另一个方法B会发生什么情况。B的4个局部变量(b1、b2、b3、b4)将保存在哪里呢？答案是：保存在栈中A的局部变量结构的上面，如图1-b所示。方法调用指令将使LV指向B的局部变量而不再是A的局部变量。然后就可以通过给定相对LV的偏移量来访问B的局部变量。与之类似，如果B调用C,那么LV和SP将再次被调整以便为C的两个局部变量分配空间，如图1-c所示

当C返回时，B再次被执行，栈又被恢复成图1-b的状态，这样LV就可以再次指向B的局部变量。同样，当B返回时，栈将变回图1-a的状态。在任何情况下，LV都指向当前正在执行的方法的栈段的底部，SP则指向栈段的顶部

现在假定A调用D，D有5个局部变量。栈就将变成图1-d的状态，D的局部变量使用了B的局部变量用过的相同的内存区域和C用过的部分内存区域。采用这种内存组织方式，可以只为当前正在执行的方法分配内存。当方法返回后，该方法的局部变量使用的内存将被释放

除了保存局部变量之外，栈还有另一种用途。在算术表达式求值时可以使栈保存操作数。当栈用于这种目的时，称为操作数栈。举个例子，假定在调用B之前，A计算表达式a1 = a2+ a3；计算该表达式的一种方法是把a2压入栈，如图2-a所示，SP将被加上一个字的字节数，比如4，现在SP就指向了第一个操作数。然后，把a3压入栈，如图2-b所示

现在可以执行实际的计算了，计算时指令会把这两个数弹出栈，相加再把结果压回栈，如图2-c所示。最后，栈顶的字被弹出栈并保存到局部变量a1中，如图2-d所示

局部变量结构和操作数栈可以混合使用，例如，计算表达式x+f(x)时，当调用f时，表达式的结果已经位于栈顶。因此函数f(x)的结果将位于x之上，这样下一条指令就可以把它们相加

内存模型

我们规定内存划分为以下几个区域

1、常量池：用来保存常量、字面量、偏移量、方法签名等，一旦代码加载完成后，该区域只可读

2、栈帧：用来保存当前方法的局部变量，以及操作数栈。具体描述见上面‘栈’的介绍

3、方法区：保存着我们编写的‘业务’代码，有一个寄存器PC指向方法区的基地址，每当PC+1，就指向下一条指令

介绍完栈和内存布局，IJVM指令集是时候登场了！

IJVM指令集

它一共拥有20条指令，大部分指令的工作方式是基于栈和内存模型的，例如BIPUSH会用到栈，把byte压入其中。它的格式非常简单，以BIPUSH byte为例，前面为操作码，后面为操作数，或者根本没有操作数（DUP）。下面表格中，第一列为指令的十六进制编码，第二列为助记符（仅仅是帮助记忆），第三列是功能描述

每条指令都对应一个微指令序列，第一列十六进制编码就对应微指令序列的第一个微指令的地址

硬件层执行指令

硬件层和指令集都已经介绍完了，现在把它们结合起来：微程序是如何解释执行指令的。微程序就像一个永不停歇的循环：取指令，解释指令。最开始执行的微指令为标号Main1处，他将PC值加1，用于获取下一条即将要被执行的指令，然后读取MBR寄存器的值，其中保存的是当前要被执行的指令的十六进制操作码，跳转到对应的微指令序列处开始执行，当序列执行完毕，再次跳转到Main1处，开始下一次循环

但是有很多细节问题没有讨论，比如遇到比较指令，如何根据条件进行跳转呢。这些更加细节的问题可以阅读《计算机组成：结构化方法》来寻找答案。

总结

指令既机器码，是非常低层次的代码，它如何产生，如何运行是非常有意思的。要真正学习计算机，必然要学习指令层（汇编），这一层没有过多的包装和抽象，直面最基本和真实的物理资源，并且对我们入门JVM、golang等技术非常有帮助

下一篇文章中，将会给出MIC-1、IJVM、MAL、Assembler等代码实现，我们能够真正在上面运行代码、观察常量池、栈和方法区、修改指令集。代码实现补全了本文中缺失的细节，能够让我们彻底理解其技术原理

最强大、最古老、最本源的代码：指令INSTRUCTION相关推荐

Linux——更改文件及目录权限（d rwx r-x r-x字段详解+更改代码指令）
目录一.d rwx r-x r-x .字段详解: 二.Chmod (更改文件所属组权限) (1)指令讲解: (2)实列:让其他用户对test.txt文件增加写的权限三.改变文件的所属者,所属组权限 ...
机械臂控制软件，上位机软件此机器人上位软件。运动采用通用G代码指令编程，具有G5三维的空间圆弧插补，空间直线插补功能
机械臂控制软件,上位机软件此机器人上位软件. 运动采用通用G代码指令编程,具有G5三维的空间圆弧插补,空间直线插补功能,子程序编程功能,逻辑判断语句功能,示教编程功能(支持手柄),变量位置编程功能, ...
delta机械臂，delta机器人，运动控制器，运动控制卡本卡采用前瞻运动轨迹规划，运动采用G代码指令编程，具有G5三维空间的圆弧插补，空间直线插补功能
delta机械臂,delta机器人,运动控制器,运动控制卡本卡采用前瞻运动轨迹规划,运动采用G代码指令编程,具有G5三维空间的圆弧插补,空间直线插补功能,子程序编程功能,逻辑判断语句功能,示教编程功 ...
龙族幻想冰龙古洞计算机指令,龙族幻想挑战代码指令及电脑位置详解龙族幻想代号末日卡木头人bug...
龙族幻想挑战代码指令及电脑位置详解龙族幻想代号末日卡木头人bug由西皮资源网编辑网络收集整理,本文立场不代表本站立场,仅供学习参考.版权和权益都归属于作者,如有侵害您的权益请与本站联系,我们将在第一 ...
31条指令单周期cpu设计(Verilog)-(八)上代码→指令译码以及控制器
说在前面开发环境:Vivado 语言:Verilog cpu框架:Mips 控制器:组合逻辑指令译码器我们需要根据一条32位的指令的结构确定是哪一条指令可以根据操作码(op)以及功能码(fun ...
mybatis逆向工程用idea通过pom插件generator生成代码指令（mysql，oracle，sqlserver）
一. F:/ideaProject/springboot-mybatis-demo mybatis-generator:generate -e 环境搭建: pom文件: <?xml versio ...
Git 切换分支，拉取分支代码指令操作
git命令切换分支_ZHL's Blog-CSDN博客_git切换分支 git命令切换分支 https://www.jianshu.com/p/856ce249ed78 Git如何拉取指定远程分支 ...
Linux下 RPM 包和Deb包的安装（代码指令+案列）
目录案列一:(Centos下)RPM包的安装: --tree的安装案列二:(Kali linux 下)安装Deb包: --安装dpkg -- 安装 gdebi RPM [1] 是Red-Hat ...
汇编call指令详解_我也能写出雷军的的代码吗？最好的汇编语言入门教程在这里！...
作者:阮一峰链接:http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/01/ 之前,嵌入式Arm曾经发送过一篇名<给跪了!来看看雷军 1994 年写的代码,经典老古董(附完 ...

最强大、最古老、最本源的代码：指令INSTRUCTION

硬件层

数据通路

微程序

指令

栈

内存模型

IJVM指令集

硬件层执行指令

总结

最强大、最古老、最本源的代码：指令INSTRUCTION相关推荐

最新文章

热门文章