机器代码如何与处理器通信？答案

【问题标题】：How does machine code communicate with processor?机器代码如何与处理器通信？
【发布时间】：2012-04-02 23:08:40
【问题描述】：

我们以 Python 为例。如果我没记错的话，当你在其中编程时，计算机首先将代码“翻译”为 C。然后再从 C 到汇编。汇编是用机器代码编写的。（这只是我对此的一个模糊想法，如果我错了，请纠正我）但是机器代码是用什么写的，或者更准确地说，处理器如何处理它的指令，它如何“找出”怎么办？

【问题讨论】：

我在github.com/dwelch67 meecoate 有一些模拟器，例如，它是一个干净、简单的指令集，我有逻辑和软件模拟器。虽然可能不是最漂亮的逻辑解决方案，但它可以/将作为硬件工作，但对于软件程序员来说也应该是可读的。同样，软件指令集模拟器绝对应该是程序员可读的。
这就是它的真正完成方式，逻辑“查看”某些位，并从那里做出决定。现实是来自 hdl 的每件小事都有很长的逻辑方程。有点类似于高级语言成为实现该高级程序的更长的汇编指令列表。
查找/借阅 Petzold 的《代码》一书。

标签： interpreter processor machine-code microcoding

【解决方案1】：

如果我没记错的话，当你在其中编程时，计算机首先将代码“翻译”为 C。

不，它没有。 C 没有什么特别之处，只是它是用于系统编程的最广泛的编程语言。

Python 解释器将 Python 代码翻译成由虚拟机执行的所谓 P 代码。该虚拟机是读取 P-Code 的实际解释器，P-Code 的每个 blip 都会使解释器执行预定义的代码路径。这与本机二进制机器代码控制 CPU 的方式并无太大区别。一种更现代的方法是将 P-Code 翻译成本地机器码。

CPython 解释器本身是用 C 语言编写的，并已编译为原生二进制文件。基本上，本机二进制文件只是一长串数字（操作码），其中每个数字指定一个特定的操作。一些操作码告诉机器，它后面定义的数字不是操作码而是参数。

CPU 本身包含一个所谓的指令解码器，它按数字读取本机二进制数，并且对于它读取的每个操作码，它都会为执行此特定操作码的 CPU 电路供电。有用于寻址内存的操作码、将数据从内存加载到寄存器的操作码等等。

处理器如何处理它的指令，它如何“找出”要做什么？

对于每个只是二进制模式的操作码，CPU 上都有自己的电路。如果操作码的模式与启用此操作码的“开关”匹配，则其电路会对其进行处理。

这是一本关于它的 WikiBook： http://en.wikibooks.org/wiki/Microprocessor_Design

几年前，有人用简单的功能逻辑和内存 IC 构建了一个完整的工作计算机，即不涉及微控制器或类似设备。整个名为 "Big Mess o' Wires" 的项目或多或少是一个从头开始构建的 CPU。唯一更书呆子的就是用单个晶体管构建那个东西（实际上并没有那么困难）。他还提供了一个模拟器，可以让你看到 CPU 内部是如何工作的，解码每条指令并执行它：Big Mess o' Wires Simulator

编辑：自从我最初写下这个答案以来，已经完成了使用现代分立组件构建成熟的 CPU：请考虑使用 MOS6502（为 Apple II、Commodore C64、NES、BBC 提供动力的 CPU Micro 等等）从磁盘构建： https://monster6502.com/

【讨论】：

【解决方案2】：

机器代码不“与处理器通信”。

相反，处理器“知道如何评估”机器代码。在 [widespread] Von Neumann 架构中，这个机器代码（程序）可以被认为是一个可索引的数组，其中每个单元格都包含一个机器代码指令（或数据，但我们暂时忽略它）。

CPU“查看”当前指令（通常由 PC 或 Program Counter 识别）并决定要做什么（这可以直接使用晶体管/“裸机”完成，也可以转换为低级代码）：这称为fetch-decode-execute 循环。

当指令执行时副作用发生，例如设置控制标志，将值放入寄存器，或跳转到程序中的不同索引（更改PC）等。请参阅此simple overview of a CPU，它更好地涵盖了上述内容。

这是对每条指令的评估——当它遇到时——以及导致传统处理器运行的副作用的交互。

（当然，现代 CPU 非常复杂并且可以做很多巧妙而棘手的事情！）

【讨论】：

【解决方案3】：

这就是microcode。是 CPU 中的代码读取机器代码指令并将其转换为低级数据流。

例如，当 CPU 遇到 add 指令时，微码描述了它应该如何获取这两个值，将它们提供给 ALU 进行计算，以及将结果放在哪里。

【讨论】：

虽然在简单的处理器上根本不需要涉及任何这样的微码。我认为在这种情况下，只需简单地了解一下 PC/FETCH/EXECUTE 的工作原理将是一个好的开始。..
微码是 CISC 架构的特殊之处，其中每条指令都被分解为一系列微操作。还有一些没有微码的架构，直接执行操作码。 Pentium之前的所有x86都是这样的。
@datenwolf CISC 不需要微码。 RISC 可以有微码。
@pst：嗯，不。 CISC 通常利用微码将 CISC 指令解码为一系列 RISC 指令。大多数 RISC 架构 OTOH 没有微码。这正是 CISC 和 RISC 的含义： CISC：复杂指令集代码。 RISC：精简指令集代码。使用纯 RISC 机器，微码几乎没有什么可做的，因为一切都已经分解成最简单的指令。
@datenwolf 对于现代 CISC CPU。没有什么固有的说这是 CISC 的属性，尽管在许多情况下它是有道理的。同样，对于 RISC，这是相反的。因此“不需要”和“可以”。

【解决方案4】：

电力。电路、内存和逻辑门。

_{另外，我相信Python通常是解释型的，而不是通过C→汇编→机器码编译的。}

【讨论】：