写在开头

近期经他人推荐，正在阅读《程序是怎样跑起来的》这本书（作者：矢泽久雄）。感觉这本书虽然出版日期有些老旧，但还是写的很通俗，不愧是计算机组成原理的图解趣味版。作为一个非科班出身的计算机相关从业者而言，感觉本书作为一个计算机组成原理的简易速成教材还是蛮不错的，干脆我就在这里做个读书总结，也重新补一补基础（主要自己还是太菜了）。我阅读本书感觉体验还是比较轻松的，首先这本书不算特别厚，没有很大的阅读心理负担，书中也有很多图表等解释各种概念与原理、也举出了很多例子方便我们理解，总之我也比较推荐。估计沉下心来读的话两三天就能看完。不过咱也不图快，慢慢总结总结，共同进步。

程序的一般运行流程如图1-1。本书第一章主要介绍用于解释和运行程序的CPU（Central Processing Unit中央处理器）。本章主要描述CPU是怎样运行的，核心是寄存器的机制。

CPU的结构

功能的角度

寄存器：可用来暂存指令、数据等处理对象。CPU内部有很多个寄存器。

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。

从CPU内部各模块的组成与功能理解程序的运行机制：

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执行，运算器就会对数据进行运算，控制器根据运算结果来控制计算机。

所谓控制，大家不要想的太复杂，就是指数据运算外的处理，主要是数据输入输出的时机控制，内存和磁盘等媒介的输入输出、键盘鼠标的输入、显示器打印机的输出等。

程序员的角度

CPU是寄存器的集合体。程序员只要关注寄存器即可，因为程序是将寄存器作为对象来描述的。本书给出了一段代码示例说明这一点：

示例代码中的ebp和eax都是寄存器，由代码示例可以看出，机器语言级别的程序是通过寄存器来处理的。顺道一提，本书通常采用汇编语言描述程序的逻辑，这是因为机器语言（01010101这种）对于我们人来不太好理解，而汇编语言中与机器语言基本上是一一对应的，因此虽然CPU实际解释执行的是01这样的机器语言，本书还是采用汇编语言对程序逻辑进行描述。

不同类型的CPU其内部的寄存器数量、种类、寄存器存储的数值范围都有所不同。寄存器中存储的内容既可以是指令也可以是数据，数据又分为“用于运算的数值”（往往放在累加寄存器器中）和“表示内存地址的数值”（通常存放在基址寄存器和变址寄存器中）。寄存器的主要分类和功能如表1-1：

而需要程序员需要关注的寄存器如下：

程序员主要关注这六个寄存器即可。

寄存器与程序的执行流程

程序计数器

程序计数器存储了下一条指令所在内存的地址，CPU的控制器就会参照程序计数器的数值，从内存中读取命令并执行（CPU每执行一条指令，程序计数器就会增加与指令内存长度相应的数值）。也就是说，程序计数器决定着程序的流程。图1-4给出了一个程序的运行流程：

这个程序实现了将123和456两个数值相加，并将结果输出到显示器上。用户发出启动程序的指示后，Windows 等操作系统会把硬盘中保存的程序复制到内存中。由于使用机器语言难以清晰地表明各地址存储的内容，因此这里作者对各地址的存储内容添加了注释。实际上，一个命令和数据通常被存储在多个地址上，但为了便于说明，图 1-4 中把指令、数据分配到了一个地址中。

条件分支与循环

程序的执行流程大家肯定都知道，这里列一下：

顺序执行：是指按照地址内容的顺序执行指令。每执行一个指令程序计数器的值就自动加1，此处的1表示内存单位。

条件分支：是指根据条件执行任意地址的指令。

循环：是指重复执行同一地址的指令。

这里给出一个条件分支的程序执行流程示例，如图1-5：

本图表示把内存中存储的数值（示例中是 123）的绝对值输出到显示器的程序的内存状态。程序运行的开始位置是 0100 地址。随着程序计数器数值的增加，当到达 0102 地址时，如果累加寄存器的值是正数，则执行跳转指令（jump 指令）跳转到 0104 地址。此时，由于累加寄存器的值是123，为正数，因此 0103 地址的指令被跳过，程序的流程直接跳转到了 0104 地址。也就是说，“跳转到 0104 地址”这个指令间接执行了“将程序计数器设定成 0104 地址”这个操作。条件分支在跳转指令前会进行比较运算。至于是否执行跳转指令，则由 CPU 在参考标志寄存器的数值后进行判断。运算结果的正、零、负三种状态由标志寄存器的三个位表示：

程序中所谓比较大小本质都是做差，将结果的正/负/零保存在标志寄存器中。程序中的比较指令，就是在CPU内部做减法运算。

函数的调用流程

函数的调用流程和条件分支、循环的机制有所不同，因为单纯的跳转指令无法实现函数的调用。函数的调用需要在完成函数内部的处理后，处理流程再返回到函数调用点（函数调用指令的下一个地址）。因此，如果只是跳转到函数的入口地址，处理流程就不知道应该返回至哪里了。函数的调用包含call和return两个过程，具体描述如下：

函数调用使用的是call指令，而不是跳转指令。在将函数的入口地址设定到程序计数器之前，call 指令会把调用函数后要执行的指令地址存储在名为栈的主存内（说白了就是先将返回地址压栈）。函数处理完毕后，再通过函数的出口来执行return命令。return 命令的功能是把保存在栈中的地址设定到程序计数器中。

MyFunc 函数被调用之前，0154地址保存在栈中。MyFunc 函数的处理完毕后，栈中的0154地址就会被读取出来，然后再被设定到程序计数器中（图1-8）。在编译高级编程语言的程序后，函数调用的处理会转换成 call 指令，函数结束的处理则会转换成 return 指令。这样一来，程序的运行也就变得非常流畅。