[轉自IThome]IT自救術－處理器想的和你想的不一樣

術－處理器想的和你想的不一樣

文/嚴立群 (記者) 2008-02-14

人類做算術，心智的活動是很自由的，但是處理器不行，處理器一次只能做一步簡單的運算，所以剛接觸電腦的人，大多會覺得難以理解，「這東西的運作方法怎麼這麼怪？」

假設存在一個32位元加法器，要設法讓它幫我們不斷的計算A+B，那只需要讓數字在加法器後面排隊，照順序饋入加法器，加法器就會一個一個把結果算出來。

這是一個典型的「磨坊-穀倉」系統，加法器就是「磨」，不斷饋入的數字是「穀物」，算出的結果就是「穀粉」。這裡要引入一個概念，就是「穀倉」的必要性。


簡單的加法系統

從「加法器」擴展到「處理器」
接著我們來擴展這個系統，想一想處理器會是個怎樣的系統

● 加法器只能做加法，這不夠好，我們得設計個全功能的處理器，能作加法、減法、乘法、除法、各種邏輯運算……，而且都是越快越好。

● 原來的加法器因為只做加法，所以我們放在記憶體裡面的「數字」就只是依序排隊饋入即可──因為反正只有加法動作要做而已。但是既然有了更複雜的處理器，後面排隊的就不能只是數字（不能只有運算子），還得有「運算方式」（運算元），得設計處理器讓它判斷該怎麼處理後面排隊的「穀物」（我是說，數字）。

這裡有個重要的概念，「你不能用人類的想法去操作處理器，你得用處理器的方式」。

人類習慣的做法是，3 + 5 = 8，很單純的計算加法，但處理器沒辦法。

處理器的做法（以80x86為例）是：

MOV AX, 03
ADD AX, 05

第一行的「MOV AX, 03」，就是「把16進位的3搬到AX暫存器裡面」的意思，第二行的「ADD AX, 05」，則是指「把16進位的5和AX目前的值加起來，並把結果存到AX裡面」。

是，有沒有覺得「這真是『微言大義』啊！」，每個處理器都像是筆削春秋的孔子，一個指令就蘊含著多麼深奧的奧義在裡頭啊！
請參考下列的「8086的『3 + 5 = 8』操作過程」。


8086的「3 + 5 = 8」操作過程
1. 執行「命令提示字元」，在命令提示符號下輸入「DEBUG」然後按下Enter

2. 輸入A100（A表示開始組譯程式碼，100表示從100這個位址開始，不要問我為什麼要這樣，反正就是這樣），按下Enter

3. 輸入「MOV AX, 03」後按下Enter

4. 輸入「ADD AX, 05」後按下Enter，然後再按一次Enter表示輸入結束

5. 輸入R並按下Enter，可看一下目前的8086暫存器內容，AX目前內容應該是0（R=Register，DEBUG程式中用來顯示暫存器內容的命令。另，如果你輸入問號「?」後按下Enter，可以看到所有DEBUG的指令）

6. 目前只是輸入完成，請按下「P」（P = proceed，執行的意思）然後按下Enter來執行第一行指令（也就是MOV AX, 03）

7. 請看AX內容，此時果然變成3了

8. 接著再輸入一次P並按下「Enter」，此時執行第二行指令（ADD AX, 05）

9. 再看AX內容，此時果然變成8了（因為3 + 5 = 8啊）

10. 輸入U100 U103（U表示unassemble，反組譯的意思），可以看到兩行程式碼前面有一些數字q，請先看一下，等下會解釋。

處理器的動作
當我們請處理器算「3 + 5 = 8」這麼簡單的算數時，給它的東西得是「MOV AX, 03」和「ADD AX, 05」。

事實上這樣講也不太精確。

處理器實際上是一顆晶片，它只能接受電子訊號。假設低電位是0，高電位是1，所以你真的對它講「MOV AX, 03」，它也不認得，它唯一能認得的，只有電子訊號。

事實上，它認得的，就是剛才的過程中，第10步裡，用U100反組譯出來的機器碼。舉例來說，「MOV AX, 03」的機器碼是「B80300」，「ADD AX, 05」的機器碼是「050500」。你對處理器只能用這樣的形式溝通。事實上，你得在適當的腳位輸入適當的訊號（B80300和050500的二進位形式），然後處理器收到訊號，就會跟據訊號做出對應的動作。

現代處理器系統的運作模式，就是這樣。

所謂的程式，只是充滿了各種人類「表面上看起來難解」的數字，「B80300」、「050500」……在記憶體裡面排隊，這些數字饋入處理器之後，處理器就會跟據這些數字的意義，做適當的動作，把結果算出來，就這樣而已。

至於能夠多快？很簡單，廠商會想辦法。如果MOV AX, 03是「一則運算」，那以前的處理器可能慢些，4.77MHz（一秒鐘做4.77百萬次），現在的處理器可能快些，1GHz應該很快了（一秒鐘做100億次）。而且以效能來看，處理器的效能還因為技術的進步，效能可能高達早期處理器的2000倍？4000倍？總之是快得恐怖，而且還會一路快下去。

Little-Endian和Big-Endian
接著我們來研究一下，機器碼的一個小知識，「Little Endian」和「Big-Endian」。

簡而言之，資料的最小單位假設一般用「byte」，每一個記憶體位址儲存的是1-byte的數字，但處理器一次處理資料的最小單位是「word」，那這一個word裡面，較小的數字放在「較低位址」，較大的數字放在「較高位址」，稱為「Little-Endian」。

比方說，以8086處理器而言，它的1個word是16-bit，當我們寫0300，0300是一個word的數字（16位元的16進位數字）。左邊的數字是較高（代表較大）的數字。但是，一般印刷或是螢幕顯示的慣例，從左到右卻是「越來越大」。所以，0300在螢幕上顯示成0003。

所以，「MOV AX, 03」翻譯成機器碼，卻變成「B8 03 00」，B8是MOV AX的機器碼，03其實是0003，但在Debug下顯示卻變成0300。
至於Big-Endian，則是指「處理器一次處理的單位資料，較高位數的資料卻放在較低的位址」。目前世界上，IBM的PowerPC處理器是Big-Endian的典型代表作，Intel x86系列處理器則是Little-Endian的代表作。

組合語言「妙處難與君說」
為何組合語言程式不能更容易些？

老實說，很難。

處理器裡面有很多暫存器，這是因為人類想了很久，都只想到這個辦法，「把數字搬到暫存器，然後對暫存器做出運算的動作」。所以一個「3 + 5」，以8086而言，就得分兩次（先MOV，再ADD）。一旦你習慣了這種「思考模式」，就可以用組合語言寫各種程式。

因此，古時候的人學寫程式，尤其是用某處理器的組合語言寫程式，就得先研究該處理器的「能耐」。處理器有哪些指令？學熟了，才知道怎樣的指令可以運用在什麼場合。處理器能夠怎麼讀取資料？得把所謂的「定址模式」搞清楚，才能夠存取大量資料（畢竟程式是用來處理資料的）。怎樣寫程式才會快？你得知道這處理器的「脾胃」，不然你寫出來的程式會跑得像龜一樣，不能用。你還得熟習各種工具的使用，幫助你寫程式寫得又快又好，又沒有「蟲」。

用組合語言寫的程式，我印象最深刻的，應該就是Lotus 1-2-3這個試算表了。其實Lotus 1-2-3並不是世界上第一個試算表產品。那難道是Microsoft的Excel？那更加不是。目前公認的「試算表之祖」，是丹．布魯克林所寫的VisiCalc。

不過，總之，VisiCalc因為某些原因後來並沒有壯大，後來的PC市場，主要是Microsoft的Multiplan（不是Excel）和 Lotus在爭奪DOS下的試算表市場。但是Lotus 1-2-3因為完全用組合語言撰寫，所以速度快，因此獲得華爾街諸多公司的青睞。Multiplan則為了「跨平臺」，當時使用C語言撰寫，效能普通，因此被打得潰不成軍，早已經不見蹤影。

這故事給我們幾個啟示：

1. Microsoft也有過失敗之作，所以失敗並不可恥
2. 此一時也彼一時也，以前的人用組合語言才厲害，現在則否
3. 組合語言的跨平臺性不佳，但如果你不考慮跨平臺性，可以用用
4. Microsoft的恐怖並不只在於它失敗了還會再爬起來而已，它更恐怖的地方是它爬起來了之後還會試著把敵人幹掉，絕對不是說說而已

本期結語：流動與靜止的藝術
處理器的運作方式很單純，一條指令，一次只能做一個簡單動作而已。就連3 + 5，都只能分兩次做。

在那一瞬間，真是很單純很單純。

但是，工程師的挑戰，就是要不斷的縮短這「一瞬間」，讓電子的流動化為運算的智慧，把很高速很短暫的一瞬間集合起來，這樣就可創造出複雜的結果，運算的結果。

想像一下，你買了一個「吹風機」，吹風機插上電，一打開開關就開始運作，那是電力的作用，讓風扇轉動，這種力量固然厲害，小小的電子驅動各種裝置，但是吹風機沒法告訴你3 + 5等於多少，無論如何沒辦法。

但是一樣是電子的流動，要怎樣的設計才能讓晶片能夠算出3 + 5？這很有趣，我們現在知道，「半導體」的單通特性使它變成一種開關，可以用來模擬演算。人類是走了很長的路才走到今天，這實在是非常有趣的事情。流動的電子，但每一瞬間卻又得維持靜止的狀態，讓人類可以構思各種運算。

處理器的運作原理大致講到這裡，我們下期可以來開始研究一下x86的組織結構，簡單的組合語言程式。