程序的零点：CPU到底是什么

Coding这么多年，还记得初次接触计算机的情形吗？写了几万行代码，为啥水平提升越来越缓慢？想写个源程序，是否感觉非常不给力？难倒你也在为这些问题苦恼？

高手说，你不熟悉程序运行的根本机制。

不信，你想想程序运行的流程。

你再想想CPU是什么。

清楚吗？我们来怀旧一下CPU。

CPU的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部分构成，各部分之间由电流信号相互连通。寄存器可用来暂存指令、数据等处理对象，可以将其看作是内存的一种。根据种类的不同，一个CPU内部会有20～100个寄存器。控制器负责把内存上的指令、数据等读入寄存器，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。运算器负责运算从内存读入寄存器的数据。时钟负责发出CPU开始计时的时钟信号。不过，也有些计算机的时钟位于CPU的外部。

通常所说的内存指的是计算机的主存储器（main memory），简称主存。主存通过控制芯片等与CPU相连，主要负责存储指令和数据。主存由可读写的元素构成，每个字节（1字节 = 8位 ）都带有一个地址编号。CPU可以通过该地址读取主存中的指令和数据，当然也可以写入数据。但有一点需要注意，主存中存储的指令和数据会随着计算机的关机而自动清除。

程序启动后，根据时钟信号，控制器会从内存中读取指令和数据。通过对这些指令加以解释和运行，运算器就会对数据进行运算，控制器根据该运算结果来控制计算机。看到“控制”一词时，大家可能会将事情想象得过于复杂，其实所谓的控制就是指数据运算以外的处理（主要是数据输入输出的时机控制）。比如内存和磁盘等媒介的输入输出、键盘和鼠标的输入、显示器和打印机的输出等，这些都是控制的内容。

高手说，CPU是寄存器的集合体。

CPU的四个构成部分中，程序员只需要了解寄存器即可，其余三个都不用太过关注。那么，为什么必须要了解寄存器呢？因为程序是把寄存器作为对象来描述的。

不同类型的CPU，其内部寄存器的数量、种类以及寄存器存储的数值范围都是不同的。不过，根据功能的不同，可以将寄存器大致划分为八类。

从表中可以看出，寄存器中存储的内容既可以是指令也可以是数据。其中，数据分为“用于运算的数值”和“表示内存地址的数值”两种。数据种类不同，存储该数值的寄存器也不同。CPU中每个寄存器的功能都是不同的。用于运算的数值放在累加寄存器中存储，表示内存地址的数值则放在基址寄存器和变址寄存器中存储。

对程序员来说，CPU就是具有各种功能的寄存器的集合体。其中，程序计数器、累加寄存器、标志寄存器、指令寄存器和栈寄存器都只有一个，其他的寄存器一般有多个。

怀旧半天，让我们来看几个简单的问题，抗住。

1. 程序是什么？

2. 程序是由什么组成的？

3. 什么是机器语言？

4. 正在运行的程序存储在什么位置？

5. 什么是内存地址？

6. 计算机的构成元件中，负责程序的解释和运行的是哪个？

哈哈，下面是答案。

1. 指示计算机每一步动作的一组指令。

一般所说的程序，譬如运动会、音乐会的程序等，指的是“行事的先后次序”。计算机程序也是一样的道理。

2. 程序是指令和数据的组合体。

例如，C语言“printf ("你好");”这个简单的程序中，printf是指令，"你好"是数据。

3. CPU可以直接识别并使用的语言。

CPU能够直接识别和执行的只有机器语言。使用C、Java等语言编写的程序，最后都会转化成机器语言。

4. 内存

硬盘和磁盘等媒介上保存的程序被复制到内存后才能运行。

5. 内存中保存命令和数据的场所，通过地址来标记和指定。地址由整数值表示。

6. CPU

计算机的构成元件中，根据程序的指令来进行数据运算，并控制整个计算机的设备称作CPU。大家熟知的奔腾（Pentium）就是CPU的一种。

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