CPU 能处理的只有指令，我们写的程序归根结底就是指令，高级语言只有翻译成机器码，即计算机能够识别的指令，才能够被执行。

不同的 CPU 拥有不同的指令集，一般 PC 使用 Intel 的 CPU，iPhone 使用 ARM 的 CPU。所以如果在电脑上写个程序，装到手机上，一般无法运行，因为语言不通，而装到另一台电脑上，通常能正常运行，就是因为语言相通。

代码怎样变成机器码

来看段 C 代码，究竟如何变成机器码的。

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// test.c
int main()
{
  int a = 1; 
  int b = 2;
  a = a + b;
}

要在 Linux 上跑起来，首先需要编译成汇编语言，然后通过汇编器翻译成机器码。
通过 gcc 和 objdump 两个命令，来将对应的汇编和机器代码打印。

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gcc -g -c test.c
objdump -D -S test.o

可以看到，左侧有一堆数字，这些就是一条条机器码；右边有一系列的 push、mov、add、pop 等，这些就是对应的汇编代码。一行 C 语言代码，有时候只对应一条机器码和汇编代码，有时候则是对应两条机器码和汇编代码。汇编代码和机器码之间是一一对应的。

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test.o:	file format Mach-O 64-bit x86-64

Disassembly of section __TEXT,__text:
_main:
; {
       0:	55 	pushq	%rbp
       1:	48 89 e5 	movq	%rsp, %rbp
       4:	31 c0 	xorl	%eax, %eax
; int a = 1;
       6:	c7 45 fc 01 00 00 00 	movl	$1, -4(%rbp)
; int b = 2;
       d:	c7 45 f8 02 00 00 00 	movl	$2, -8(%rbp)
; a = a + b;
      14:	8b 4d fc 	movl	-4(%rbp), %ecx
      17:	03 4d f8 	addl	-8(%rbp), %ecx
      1a:	89 4d fc 	movl	%ecx, -4(%rbp)
; }
      1d:	5d 	popq	%rbp
      1e:	c3 	retq

这里可以想象一下，高级语言转换成机器码，为什么要多出中间一步转换，即先转换成汇编代码，如果直接转换有哪些不妥？

高级语言->汇编代码->机器码

CPU 如何解析机器码

当 CPU 拿到一条指令（一条机器码）的时候，就会去对应的指令集中看，这条指令是什么操作。

这里介绍一下最简单的 MIPS 指令集。

MIPS 指令集

MIPS 的指令是一个 32 位的整数，高 6 位叫操作码（Opcode），也就是代表这条指令具体是一条什么样的指令，剩下的 26 位有三种格式，分别是 R、I 和 J。

R 指令是一般用来做算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器的地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移操作的位移量，而最后的功能码，则是在前面的操作码不够的时候，扩展操作码表示对应的具体指令的。

I 指令，则通常是用在数据传输、条件分支，以及在运算的时候使用的并非变量还是常数的时候。这个时候，没有了位移量和操作码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成了一个地址值或者一个常数。

J 指令就是一个跳转指令，高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。

我们常用的 Intel CPU ，大概 2000 左右个指令集，正对应了上图中五类操作。

  • 算术类指令
  • 数据传输类指令
  • 逻辑类指令
  • 条件分支类指令
  • 无条件跳转指令

CPU 如何执行指令

还拿 Intel CPU 来说，里面差不多有几百亿个晶体管，通过电路不断切换运转起来。逻辑上，可以认为 CPU 其实就是由一堆寄存器组成的。而寄存器就是 CPU 内部，由多个触发器（Flip-Flop）或者锁存器（Latches）组成的简单电路。

触发器和锁存器，其实就是两种不同原理的数字电路组成的逻辑门。

N 个触发器或者锁存器，就可以组成一个 N 位（Bit）的寄存器，能够保存 N 位的数据。

一个 CPU 里面会有很多种不同功能的寄存器。这里介绍三种比较特殊的。

一个是 PC 寄存器，我们也叫指令地址寄存器。用来存放下一条需要执行的计算机指令的内存地址。

第二个是指令寄存器，用来存放当前正在执行的指令。

第三个是条件码寄存器，用里面的一个一个标记位（Flag），存放 CPU 进行算术或者逻辑计算的结果。

实际上，一个程序执行的时候，CPU 会根据 PC 寄存器里的地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令。可以看到，一个程序的一条条指令，在内存里面是连续保存的，也会一条条顺序加载。

而有些特殊指令，比如 J 类指令，也就是跳转指令，会修改 PC 寄存器里面的地址值。这样，下一条要执行的指令就不是从内存里面顺序加载的了。事实上，这些跳转指令的存在，也是我们可以在写程序的时候，使用 if…else 条件语句和 while/for 循环语句的原因。