[轉自IThome]IT自救術－x86處理器的運作概念

IT自救術－x86處理器的運作概念

文/嚴立群 (記者) 2008-01-17

處理器並不是一開始就像今天這樣的、一顆晶片的樣子，工程師摸索了很久，才找到最有效率的處理器設計──現代處理器的「可程式」設計。

最早的電腦，使用的是「純電路」的設計。這種純電路設計的概念就是：一種用途，一種設計。如果你的電腦有了新的用途，就得有一個新的設計。

比方說，想要讓電腦計算圓周率的小數點後一千位，好的，工程師就會針對這件工作，用真空管和其他電子裝置做出一個電路，設法計算出圓周率小數點後的一千位數字。雖然早期電腦有著速度不快、不夠穩定、發熱量高、耗電量大以及佔用大量空間的問題，但這樣的工作應該還算是可以勝任。

但是，如果打算換個功能，像是，「讓電腦計算自然對數表」，好的，那工程師得另外設計一個全新的電路，重新組裝零件，以進行全新的運算。這當然不是一件很容易的事情，成本也高得驚人。

另外一個重要概念，則是「電腦乃是一種循序電路」的設計概念。
各位可以把電流想像成看得見的水流，並且以極慢極慢的慢動作流動，我們在電腦的這頭輸入電流，電流依序流經各晶片之後，會在另一頭跑出答案來。

處理器是個只接受電子訊號的可程式循序電路
專屬電路設計的電腦缺乏彈性，實用性不高，因此後來工程師們發現，設計一種萬用電路——也就是上期講的「處理器」，處理器裡面有著「暫存器」，這是可以用來進行各種運算的機構。記憶體裡面則存放等著被饋入暫存器裡面的程式碼和資料，依序執行各種運算。這樣的好處是：只要使用不同的指令和資料組合成「程式」，電腦將可以執行各種複雜的運算，大大提高實用性。

但是，就電路的角度來看，晶片只能接受高低電位不同的電流訊號輸入，並根據自身的設計，再輸出適當的電位訊號（運算結果）而已。

這概念很重要，請讓我重複再講清楚一點：

對處理器而言，它只是被設計成「接受電位變化不同的電流訊號之後，輸出對應的結果」。處理器其實並不懂所謂的「程式」、「數字」什麼的，那都是人類才懂的東西。工程師才是那個要設計處理器、晶片和電路，並設法讓代表程式的電位訊號輸入處理器後，跑出正確結果的人。

舉個例子，如果你對著Intel 8086說「MOV AH, 02」，它不懂的。但我們使用DEBUG這個小工具輸入這行指令時，這一小行字最後會化為電位高低不等的電流訊號，流到處理器裡面的電路，這段訊號會請處理器把02搬移到AH暫存器暫存著（當然，這些動作也是以一種電子訊號的形式被執行），並等待下一段指令的進行。

所以，「處理器是個只接受電子訊號的可程式循序電路」，是本期本欄內容的第一個重點，請牢記之。如果要廣義的引申，你認為「電腦就是個只接受電子訊號的可程式循序電路」也未嘗不可。

程式執行的「過程」簡介
所以，工程師設計處理器之時，一方面必須要想像，程式設計師會希望處理器有什麼樣的運算能力（通常就是「算術與邏輯運算」的能力啊！加、減、乘、除、且、反、或、互斥或……），一方面要想像，如何用循序電路做出這些運算的功能，讓程式設計師使用。

除此之外，整臺電腦還包括了其他附屬電路裝置。像是儲存待執行程式的「記憶體」，其實也只是將資料用電子訊號的方式存在晶片裡面，等待著往處理器「傳送」。有時候，處理器裡面暫存器的演算結果，也會寫回記憶體裡面儲存。這些「概念上」的演算，全都以電子訊號的方式，在組成電腦的電路裡面流動著。

反過來說，程式設計師不可能操作「電子訊號」來寫程式，所以早期的程式設計師大多只能熟記處理器的指令名稱和指令格式，用指令組合而成程式，再用「組譯器（Assembler）」將程式轉譯成「可執行檔」，這可執行檔就可由作業系統載入（處理器）並得到程式執行的結果（通常會顯示於螢幕上）。

DEBUG就是一個功能很少，但是還算夠用的迷你組譯器。

舉例來說，當你執行Windows，在「IE」瀏覽器的圖示上「連續按兩下滑鼠左鍵」時，程式會從硬碟載入到記憶體，然後部份程式碼會依序饋入處理器裡面，程式碼會由各種「處理器」能辨識的指令組成。等程式碼送入處理器中，利用暫存器執行完各種運算指令後，通常會有對應的結果顯示在螢幕上（通常是如此，只是程式有可能跑不出結果，或是當掉）。

不過，同樣的，其實這些運算，形式上都只是高低電位不同的電子訊號在電路上流動而已。

而且，其實程式設計師完全不懂所謂的電子訊號的流動也無妨，他們只需要研究「程式怎麼寫」就可以了。至於電子訊號怎麼流動才會跑出正確的結果，就是硬體工程師的事情了。

有哪些「基礎」得先打好
所以，從專業分工的角度來看，電腦工程師有兩種，一種是硬體工程師，一種是軟體工程師。

不過，各位並不是立志要當工程師而收看本欄內容（如果是，請不要看下去了，我不是工程師還能把你教到變成工程師，那我該改行當魔術師了），我們只是要研究處理器的原理而已。所以請各位看了上面的說明之後，來想想，要對處理器稍微有點了解，要學學哪些東西？

數碼系統的轉換
剛重複講了好幾次，處理器只能處理「電位高低不同的電子訊號」，也就是說，如果我們用0代表低電位，用1代表高電位，那處理器只能接受10110100這樣的電流訊號而已。

但是，一般人看到10110100這樣的符號，通常是看不懂的，所以一般的電腦專科教育，會教你做所謂的「10、16、8、2進位之間的互換」。通常來說， 2進位、8進位和16進位之間的互換相當容易，但偏偏人類是生了十根手指頭，所以為了要理解數位電路的常用符號，得學習不同數碼系統之間的轉換。

常用單位和常用符號
處理器用來處理大量的資料，但如果都只用2進位表示資料，紀錄時會變得相當冗長（你會看到諸如像是 10110100101010010100101010……的資料，看都看不完）。所以我們得用一些「科學記號」來表示資料。比方說，一個資料的最小單位（0或1）是Bit，8個Bit等於1個Byte，1000個Byte通常縮寫成1KB，1000個KB縮寫成1MB，1000個MB縮寫成1GB……，這些習慣寫法牢記之後才能搞清楚各種裝置的數量關係。

2進位算術運算
人類習慣用10進位演算，而電腦又只能接受2進位訊號，那我們能設計出一個方法，來二元的電腦電路模擬出10進位的演算嗎？

當然可以！

簡單的說，用電路模擬自然數的相加，方法倒是不難；但是如果要用電路設計出減法，就稍微困難一點了。乘法？除法？或是浮點數的四則運算？這些都可以用電路設計出來，但光是了解「理論上要怎麼做」就頗要費一番工夫就是。

數位邏輯運算
AND、OR、NOT、XOR……這些邏輯運算，也是電腦程式的運算中常用的。事實上，電腦能做的所有的其他運算，都是用幾個基本的邏輯運算去拼湊出來的。

一些基礎的原理
為何可以用數位邏輯運算模擬加法運算？甚至是模擬整個人類常用的四則運算，整數運算，以及浮點運算？因為這些都可說僅是機械運算，而根據「杜林機」的概念，這些演算都可以用模擬器的方法來完成，工程師會負責想出精巧、有效率的方式做出適當的電路模擬之，而我們要說明的就是這「工程」的部份。又或者，光是一個「數位」和「類比」的概念，很多人都還是分不清楚，這都是值得研究的內容。

電子電路設計
要怎樣才能實作出進行演算工作的電子電路？那就得學很多東西啦！從固態物理、電子學電路學、半導體與積體電路設計……，牽涉的相關專業學問可是不少。不過這門學問可說是臺灣的「顯學」（至少，在OEM或是Foundry的部份是吧！），好的電子電路設計（像是──iPod啊！）可以賺很多錢！

組譯器/編譯器使用
利用組譯器或編譯器工具，撰寫程式碼，並利用程式執行的反應，設法了解處理器的運作原理。

至少學習兩種語言
要寫程式，使用組譯器或是編譯器，你至少得學兩種語言，一種是組合語言，一種是高階語言（我會建議學C或C++語言）。不過，這裡不是要訓練你成為專業程式設計師，只是利用這些語言的執行結果去觀察處理器的行為模式。

本期結語：練拳不練功，到老一場空
我曾看過成龍的一部老電影，根據我殘缺不全的記憶，電影名喚《一招半式闖江湖》。電影裡面的老師父對成龍說，「你沒聽過嗎？『練拳不練功，到老一場空』。」呵呵，這話拿來對玩電腦的人來說，也是挺合適的。

要知道，今日這麼複雜的一臺電腦，像是家電一樣的電子產品，並非瞬間演化的結果，而是經過多年的進化而成。如今想要研究其原理，很多基本的「理論」往往不容易說的清楚──除非你有耐性慢慢學。

不過，老實說，如果真有耐心把上面講的這些單位、符號、演算、原理記熟了，面對於其他更複雜的產品問題，就會容易理解得多。因為，你已經知道這些產品的底層，也就是由這些元件和原理所組成。如果你願意「有耐性慢慢學」，這些原理有朝一日就可以變成你的「武器」。

不過，上期不是說要介紹DEBUG的用法嗎？很抱歉，我想，得等到適當的時間再介紹了！幸好，我們有得是時間呢！