开天辟地的故事

先驱希望创造一个计算机的世界, 并赋予它执行程序的使命. 让我们一起来帮助他们, 体验创世的乐趣.

大家都上过程序设计课程, 知道程序就是由代码和数据组成. 例如一个求1+2+...+100的程序, 大家不费吹灰之力就可以写出一个程序来完成这件事情. 不难理解, 数据就是程序处理的对象, 代码则描述了程序希望如何处理这些数据. 先不说仙剑奇侠传这个庞然大物, 为了执行哪怕最简单的程序, 最简单的计算机又应该长什么样呢?

为了执行程序, 首先要解决的第一个问题, 就是要把程序放在哪里. 显然, 我们不希望自己创造的计算机只能执行小程序. 因此, 我们需要一个足够大容量的部件, 来放下各种各样的程序, 这个部件就是存储器. 于是, 先驱创造了存储器, 并把程序放在存储器中, 等待着CPU去执行.

等等, CPU是谁? 你也许很早就听说过它了, 不过现在还是让我们来重新介绍一下它吧. CPU是先驱最伟大的创造, 从它的中文名字"中央处理器"就看得出它被赋予了至高无上的荣耀: CPU是负责处理数据的核心电路单元, 也就是说, 程序的执行全靠它了. 但只有存储器的计算机还是不能进行计算. 自然地, CPU需要肩负起计算的重任, 先驱为CPU创造了运算器, 这样就可以对数据进行各种处理了. 如果觉得运算器太复杂, 那就先来考虑一个加法器吧.

先驱发现, 有时候程序需要对同一个数据进行连续的处理. 例如要计算1+2+...+100, 就要对部分和sum进行累加, 如果每完成一次累加都需要把它写回存储器, 然后又把它从存储器中读出来继续加, 这样就太不方便了. 同时天下也没有免费的午餐, 存储器的大容量也是需要付出相应的代价的, 那就是速度慢, 这是先驱也无法违背的材料特性规律. 于是先驱为CPU创造了寄存器, 可以让CPU把正在处理中的数据暂时存放在其中. 为了兼容x86, 我们选择了一个稍微有点复杂的寄存器结构:

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|                                  EAX       AH       AX      AL        |
|-----------------+-----------------+-----------------+-----------------|
|                                  EDX       DH       DX      DL        |
|-----------------+-----------------+-----------------+-----------------|
|                                  ECX       CH       CX      CL        |
|-----------------+-----------------+-----------------+-----------------|
|                                  EBX       BH       BX      BL        |
|-----------------+-----------------+-----------------+-----------------|
|                                  EBP                BP                |
|-----------------+-----------------+-----------------+-----------------|
|                                  ESI                SI                |
|-----------------+-----------------+-----------------+-----------------|
|                                  EDI                DI                |
|-----------------+-----------------+-----------------+-----------------|
|                                  ESP                SP                |
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其中

  • EAX, EDX, ECX, EBX, EBP, ESI, EDI, ESP是32位寄存器;
  • AX, DX, CX, BX, BP, SI, DI, SP是16位寄存器;
  • AL, DL, CL, BL, AH, DH, CH, BH是8位寄存器. 但它们在物理上并不是相互独立的, 例如EAX的低16位是AX, 而AX又分成AH和AL. 这样的结构有时候在处理不同长度的数据时能提供一些便利.

寄存器的速度很快, 但容量却很小, 和存储器的特性正好互补, 它们之间也许会交织出新的故事呢, 不过目前我们还是顺其自然吧.

为了让强大的CPU成为忠诚的奴仆, 先驱还设计了"指令", 用来指示CPU对数据进行何种处理. 这样, 我们就可以通过指令来控制CPU, 让它做我们想做的事情了.

有了指令以后, 先驱提出了一个划时代的设想: 能否让程序来自动控制计算机的执行? 为了实现这个设想, 先驱和CPU作了一个简单的约定: 当执行完一条指令之后, 就继续执行下一条指令. 但CPU怎么知道现在执行到哪一条指令呢? 为此, 先驱为CPU创造了一个特殊的计数器, 叫"程序计数器"(Program Counter, PC), 它在x86中的名字叫EIP.

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|                       EIP (INSTRUCTION POINTER)                       |
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从此以后, 计算机就只需要做一件事情:

while (1) {
  从EIP指示的存储器位置取出指令;
  执行指令;
  更新EIP;
}

这样, 我们就有了一个足够简单的计算机了. 我们只要将一段指令序列放置在存储器中, 然后让PC指向第一条指令, 计算机就会自动执行这一段指令序列, 永不停止. 这个全自动的执行过程实在是太美妙了! 事实上, 开拓者图灵在1936年就已经提出类似的核心思想, "计算机之父"可谓名不虚传. 而这个流传至今的核心思想, 就是"存储程序". 为了表达对图灵的敬仰, 我们也把上面这个最简单的计算机称为"图灵机"(Turing Machine, TRM). 或许你已经听说过"图灵机"这个作为计算模型时的概念, 不过在这里我们只强调作为一个最简单的真实计算机需要满足哪些条件:

  • 结构上, TRM有存储器, 有PC, 有寄存器, 有加法器
  • 工作方式上, TRM不断地重复以下过程: 从PC指示的存储器位置取出指令, 执行指令, 然后更新PC

咦? 存储器, 计数器, 寄存器, 加法器, 这些不都是数字电路课上学习过的部件吗? 也许你会觉得难以置信, 但先驱说, 你正在面对着的那台无所不能的计算机, 就是由数字电路组成的! 不过, 我们在程序设计课上写的程序是C代码. 但如果计算机真的是个只能懂0和1的巨大数字电路, 这个冷冰冰的电路又是如何理解凝结了人类智慧结晶的C代码的呢? 先驱说, 计算机诞生的那些年还没有C语言, 大家都是直接编写对人类来说晦涩难懂的机器指令, 那是他们所见过的最早的对电子计算机的编程方式了. 后来人们发明了高级语言和编译器, 能把我们写的高级语言代码进行各种处理, 最后生成功能等价的, CPU能理解的指令. CPU执行这些指令, 就相当于是执行了我们写的代码. 今天的计算机本质上还是"存储程序"这种天然愚钝的工作方式, 是经过了无数计算机科学家们的努力, 我们今天才可以轻松地使用计算机.

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