cpu架构、cpu指令集、汇编语言、交叉编译、高级语言/编译器程序、自举、编译和解释

左手的ㄟ右手 2023-07-22 11:28 10阅读 0赞

一、**cpu指令集**  
**cpu**是什么？  
**cpu**就是cpu芯片，也叫处理器。是机算机系统用来**处理程序的硬件**。被处理数据的格式必须是二进制。  
**cpu指令集**是什么?  
**cpu指令集**就是**cpu指令的集合**，**cpu指令集**规定了很多操作运算，**cpu指令集**的数量也很多，如常见的x86指令集和arm指令集，还有一些小众的指令集如Mips指令集，龙芯就是用mips指令集的。  
**cpu指令**是什么？  
**cpu指令**就是某个规定的操作运算**机器码**(二进制数据)。  
为什么**cpu指令**是二进制数据？  
因为**cpu**只能处理二进制数据，那么做为**cpu指令**，肯定是要输入到cpu中，然后由cpu去执行指令对应具体操作的。所以**cpu指令**只能是**二进制数据**。  
哪里可以看到**二进制数据**？  
可以用文本软件打开exe，里面就是二进制数据，但是一般文本软件都是由16进制来显示二进制数据的。因为2进制很好用16进制来表示,4位2进制(0001)就能表示一位16进制。

二、**cpu架构**  
**cpu架构**就是**cpu芯片的硬件架构**，也称为微架构，也就是一堆**硬件电路**，由这些**硬件电路**去实现**cpu指令集**所规定的操作运算,首先要明确 **cpu指令集不是什么具体的电路，而是一个规范**,**cpu架构**就是实现这个**规范**的**实现**，也可以说**cpu芯片**是这个规范的**实例**，所以说，cpu架构具体实现是可以不同的，但只要你这个cpu架构实现了某种指令集，你这个cpu就是这种指令集架构的cpu。以下举个例子。  
某个**cpu芯片的硬件架构**实现了某个**cpu指令集**,那么这个cpu芯片就是什么**架构**的cpu。举个例子，某个**cpu芯片的硬件架构**实现了**x86指令集**，这个cpu芯片就是**x86架构的cpu芯片**,如果实现了**mips指令集**这个cpu芯片就是**mips架构的cpu芯片**。  
你可以理解为，**cpu指令集**是**接口**，**cpu架构**是**接口实现类**，**cpu芯片**是**接口实现类的实例对象。**

三、**汇编语言**  
**汇编语言**就是用一些**英文字符串**来对照**对应的**cpu的指令集，**一个汇编指令**对应**一个cpu指令**也就是一些机器码，汇编指令和cpu指令是互相对应的关系。仅此而己，没有任何功能，只是起了一个助记作用，只是让cpu指令集中的指令具有可读性，而不是让人类去阅读**cpu指令**对应的**机器码**。  
以下就是一张x86架构cpu的指令集  
[x86指令集资料][x86]  
很清楚的看到**一个汇编指令**对应**一个机器码**这个**机器码**就是**cpu指令**，汇编指令就是起一个助记作用，只是换个方式来描述cpu指令。  
汇编语言=cpu指令集  
汇编指令=cpu指令=机器码  
数据=机器码  
汇编程序=汇编指令+数据=机器码  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM1NzcyMzY2_size_16_color_FFFFFF_t_70]

四、交叉编译  
**交叉编译**简单描述就是，在当前的cpu架构上，使用**另一个cpu架构**做为**编译规则**的**编译器程序**，来**编译**高级语言源代码，从而**生成另一个cpu架构可执行**的机器码。

**详细描述**为，就是在**当前cpu中**运行（**编译器机器码**转化**代码文本机器码**生成为**cpu可执行机器码**)的过程中，不是根据**当前cpu架构**来生成**cpu可执行机器码**，而是根据**其它cpu架构**来生成**cpu机器码**，这种**不以当前cpu架构**来生成**cpu机器码**的**编译方式**就是**交叉编译。**

那为什么要用这种**编译方式**？  
打个比方，你如果是用**x86汇编**写的**程序**只能在使用**x86架构**的cpu上运行，在**arm架构的**cpu上是运行不了的，原因在于**x86汇编**本质上是**x86cpu指令集**，而**x86架构的cpu**对**x86指令集**进行了**硬件实现**，所以**x86汇编**写的**程序**可以在**x86架构的cpu**上运行。但是**arm架构的cpu** 硬件实现的是**arm指令集**，不能识别**x86汇编(x86指令集**的指令，**arm架构的cpu**只能识别 **arm汇编(arm指令集**的指令，这时就可以用**交叉编译**，生成**另一个cpu架构**的程序。

再说说现实中经常使用的**编译器程序**吧。  
**gcc编译器程序**都听过吧，默认的gcc是**x86版本**的，针对的是**x86架构的cpu**，但是gcc不只这一个x86版本的gcc，gcc还有arm-gcc，mips-gcc,分别针对arm架构的cpu和mips架构的cpu。**gcc支持交叉编译**。

五、高级语言/编译器程序  
**高级语言**只是一个**语法规则**，**高级语言**只要有了**编译器程序**能转换为**机器码**，就可以用**高级语言源代码**去写**语言语法解析逻辑**，通过**编译器程序**转化为程序后，去解析任何**语言规则**，当然包括上一代语言的语言规则。  
高级语言的产生是为了**实现程序跨cpu架构复用**，高级语言**跨cpu架构原理**是**通过**高级语言对应的各个**cpu架构的高级语言编译器程序**。  
**高级语言编译器程序**简单来说就是一个转换**高级语言**的**语言规则**为**cpu可执行机器码**的**一个程序**。

每个**高级语言**都有自己的**高级语言编译器程序**，**高级语言源代码**需要通过**高级语言编译器程序**来**编译**才能得到**cpu指令二进制机器码**，**才可以在cpu**上运行。所以说，没有**编译器程序**对**高级语言**进行**解析编译**，**高级语言**就是一个**文本**。

**高级语言**的第一个**编译器程序**从哪来？  
有**两个来源**一个是基于**汇编**来写编译器程序，一种基于**己实现编译器程序**的**另一个高级语言**通过编译**另一个高级语言写的高级语言编译器源代码**得到编译器程序，第一种用**汇编**写的**编译器程序**的**高级语言**，就是第一代**高级语言**。

有了**第一代高级语言x**的**编译器汇编程序**后，你就**不仅只能使用**汇编写**程序**了，**还可以**使用**第一代高级语言x**来写**x语言源代码**然后通过**编译器汇编程序**进行编译来写**程序**，你甚至还可以用x语言写**第二代高级语言y编译器x语言代码**，只需要通过**第一代高级语言x**的**编译器汇编程序**把**第二代高级语言y语言编译器x语言代码**进行**编译**后，就得到了**第二代高级语言y的编译器程序**，则代表**第二代高级语言y**就可以被**cpu识别了**，甚至可以把**第二代高级语言y的语法**跟**第一代高级语言x的语法**设置为**一样**的**语法**，这样也可以证明**第一代高级语言x**有**自举的能力**。

**举个例子**假设**第一代高级语言**是**c语言**。有了第一个**c语言编译器汇编程序**后，就可以使用**c语言**写**c++语言编译器c语言源代码**(二进制文本),通过**c语言编译器汇编程序**编译**c++语言编译器c语言源代码**(二进制文本)后，得到一个**c++编译器程序**(二进制可执行文件)，通过这个**c++编译器程序**，**c++语言源代码二进制文本**就能转换成cpu可执行的机器码了，有了这个**c++编译器程序**，你就可以用**c++语言**在写一个**js语言编译器c++源代码**，通过**c++编译器程序**，**编译后**就得到时一个能**编译js语言二进制文本的**的编译器程序，有了**js语言编译器程序**，你就可以用**js语言**在写一个**c语言编译器程序js源代码**，通过**js编译器程序**编译**js源代码**后就得到了能解析**c语言语法规则**的**c语言编译器程序**。当然语言代级过高，会有很多冗余操作导致效率问题。

看个总结

//y是一个有编译器的语言,x是一个没编译器的语言
    y,x=rule
    y  => yCompiler =>cpu code
    
    //y写了一个解析x语言的源代码，并编译成程序，这个程序就是x语言的编译器 
    y*x => yCompier => cpu code = xCompiler
    x  => xCompiler =>cpu code

六、自举  
简单来说，自举就是用**自身语言**通过自身编写的**编译器程序**能够**编译自身语言的源代码**。  
自举其实是**高级编程语言**的一个**能力**  
详细点说就是**x语言**写了个**x语言编译器x语言源代码**通过**己有的x语言编译器程序**，编译后得到新的**x语言编译器程序**，这个新的**x语言编译器程序**能**正常**编译**x语言源代码**就代表这个**编程语言**有**自举的能力**。

七、编译和解释  
编译型语言（c,c++），解释型语言(php,js)，混合型语言(java)都是**高级编程语言**，而高级编程语言只是一个**包含逻辑的二进制文本**要依靠**编译器程序**进行**编译**后才能得到cpu机器码的。  
那**解释和编译**语言具体有什么**区别**呢？  
它们的区别在于语言的**编译器程序**编译**源代码方式**的**不同**  
不同之处在于  
**简单**来说，就是**编译型语言**是**全部代码编译完毕**后，**才能**执行程序，**解释型语言**是一边**编译代码**，一边**执行程序**。  
**详细**来说，  
**编译型语言**的编译器程序是**把全部源代码编译为机器码后**把机器码**存储到一个新创建二进制文件**里，如果想要让cpu运行**源代码程序**就是**执行**编译后生成的二进制文件。  
**解释型语言**的编译器程序是在**编译源代码为机器码的过程中**把**当前编译好的源代码**对应的**机器码**直接让cpu运行,**解释型语言**的**编译器程序**，也叫**解释器程序**，**解释器程序**一般都是守护进程一直运行在cpu中的。

八、cpu处理字符流程  
那cpu不是只处理二进制吗？那它是怎么处理文本的？下面举个简单的c程序例子  
c程序编写完c文件用**ASCII编码**保存后，(能通过硬件**编辑/显示/保存**文本是os的事，os一直在cpu上运行着一直帮你调度硬件呢)使其编译成为**二进制机器码**后。在终端**执行程序**，会在**终端窗口上输出a**，具体表现就是在屏幕上显示a  
这一具体的流程是什么呢？你按下回车时，首先**os**会监听到一个键盘**输入事件**然后判段一些合法性问题**os**监听的原理是一直监控着一个关于**键盘输入的文件**，这个文件发生改变时，就会执行**键盘输入事件处理函数**）**os**判断完后，就会**调用cpu的驱动程序**，然后**cpu驱动程序**就会**调用cpu硬件接口**把这些**机器码**通过**电流**传入到**cpu芯片**中。**cpu芯片**收到**机器码**后就会**执行机器码**，这些**机器码程序运行后**做了以下这些事。  
**1.通知os在内存空间中存储’a‘**  
要明确一个观念os也是一个程序，一直运行在cpu。  
首先会通过**cpu自身的硬件接口**调用**os**中的**cpu驱动程序**让**os**通知**内存条**去存储一个**值为97的二进制数字**，具体怎么通知内存的，流程跟调用cpu芯片一样，这些硬件都是在**主板**上的，在硬件层面上是可以通信的。那为什么存储97的二进制呢？由于代码文本是用**ascll字符编码保存的**，**在ascll字符编码**中码值**97**对应的就是ascll字符集中的**字符a**，所以**内存条**存储的就是97的二进制。还有个问题**什么是字符编码**？**字符编码**就是**用数字码值来对应指定字符集中的字符**。  
打个比方说，想查看上面写的c语言文本文件，就要用**ascll字符编码**去**ascll字符集**进行对应查找。  
一个**字符集**可以对应多种**字符编码**，如**Unicode字符集**就有 UTF-8，UTF-16 LE，UTF-16 BE 等字符编码。当然，字符集中内容肯定是可以重复的。

**2.通知os在终端屏幕上输出’a’**  
让**在内存空间己经存储好**的’a‘，把值(97二进制)取出来后**发送给os**，发送原理就是通过驱动和硬件接口，os接收到值后查找ascll字符集找到编码97对应字符a的点阵数据后，就会调用**显卡驱动程序**，显卡就将**二进制数据信号**转换为**数字信号**(也是二进制)，然后通知os调用**显示器驱动程序**，显示器收到驱动程序传来的数字信号转换为图像信号并把图像输出到显示器的像素点上，也就是屏幕终端上有一个a字符。  
当然这是默认输出，你也可以通过**重定向输出到文件**里。

#include <stdio.h>
    int main(int argc, char *argv[])
    { 
    	putchar('a');
    	return 0;
    }

cpu的好坏决定了程序处理速度，程序的数据是存在内存中的，程序即使没有做任何cpu处理，但这个程序的数据还在内存中，就代表这个进程没有销毁。内存大程序运行的多，cpu好处理速度快。

说下计算机启动流程，cpu首先加载**主板bios操作系统程序**，**主板bios操作系统程序**根据**启动项设置**去硬盘寻找**用户操作系统程序**，再读入内存，cpu执行内存中的**用户操作系统程序**。所以说**cpu,内存条，硬盘**等这些硬件要对应**适配的主板**，不仅是硬件接口主板要支持，**主板bios操作系统程序**也要有对应的硬件驱动程序。

说下cpu读取硬盘的操作流程，首先cpu发出指令，让硬盘中存储的二进制数据输入给内存条，内存条把传来的二进制数据进行写入内存，然后输出二进制数据给cpu进行运算。一个应用程序是运行状态的，可能在cpu里没有运行处理，但内存中有这个程序的二进制数据和二进制代码数据，就是运行状态的应用程序。

一个应用程序，首先在cpu里运行，然后运行结束后，把程序数据，也就是一些变量和代码数据，存储到内存条中，事件监听交给操作系统，处理，根据事件监听，调用不同的代码数据，传给cpu处理，又把程序数据存储到内存条中。往往复复

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