一个程序在计算机中到底是如何运行的？

在《载入内存，让程序运行起来》一节中讲到，程序是保存在硬盘中的，要载入内存才能运行，CPU也被设计为只能从内存中读取数据和指令。

对于CPU来说，内存仅仅是一个存放指令和数据的地方，并不能在内存中完成计算功能，例如要计算 a = b + c，必须将 a、b、c 都读取到CPU内部才能进行加法运算。为了了解具体的运算过程，我们不妨先来看一下CPU的结构。

CPU是一个复杂的计算机部件，它内部又包含很多小零件，如下图所示：

运算单元是CPU的大脑，负责加减乘除、比较、位移等运算工作，每种运算都有对应的电路支持，速度很快。

寄存器（Register）是CPU内部非常小、非常快速的存储部件，它的容量很有限，对于32位的CPU，每个寄存器一般能存储32位（4个字节）的数据，对于64位的CPU，每个寄存器一般能存储64位（8个字节）的数据。为了完成各种复杂的功能，现代CPU都内置了几十个甚至上百个的寄存器，嵌入式系统功能单一，寄存器数量较少。

我们经常听说多少位的CPU，指的就是寄存器的的位数。现在个人电脑使用的CPU已经进入了64位时代，例如 Intel 的 Core i3、i5、i7 等。

寄存器在程序的执行过程中至关重要，不可或缺，它们可以用来完成数学运算、控制循环次数、控制程序的执行流程、标记CPU运行状态等。例如，EIP（Extern Instruction Pointer ）寄存器的值是下一条指令的地址，CPU执行完当前指令后，会根据 EIP 的值找到下一条指令，改变 EIP 的值，就会改变程序的执行流程；CR3 寄存器保存着当前进程页目录的物理地址，切换进程就会改变 CR3 的值，这将在《MMU部件以及对内存权限的控制》中讲解；EBP、ESP 寄存器用来指向栈的底部和顶部，函数调用会改变 EBP 和 ESP 的值，这将在《栈的概念以及栈溢出》中讲解。

那么，在CPU内部为什么又要设置缓存呢？虽然内存的读取速度已经很快了，但是和CPU比起来，还是有很大差距的，不是一个数量级的，如果每次都从内存中读取数据，会严重拖慢CPU的运行速度，CPU经常处于等待状态，无事可做。在CPU内部设置一个缓存，可以将使用频繁的数据暂时读取到缓存，需要同一地址上的数据时，就不用大老远地再去访问内存，直接从缓存中读取即可。

大家在购买CPU时，也会经常关心缓存容量，例如 Intel Core i7 3770K 的三级缓存为 8MB，二级缓存为 256KB，一级缓存为 32KB。容量越大，CPU越强悍。

缓存的容量是有限的，CPU只能从缓存中读取到部分数据，对于使用不是很频繁的数据，会绕过缓存，直接到内存中读取。所以不是每次都能从缓存中得到数据，这就是缓存的命中率，能够从缓存中读取就命中，否则就没命中。关于缓存的命中率又是一门学问，哪些数据保留在缓存，哪些数据不保留，都有复杂的算法。

CPU指令

要想让CPU工作，必须借助特定的指令，例如 add 用于加法运算，sub 用于除法运算，cmp 用于比较两个数的大小，这称为CPU的指令集（Instruction Set）。我们的C语言代码最终也会编译成一条一条的CPU指令。不同型号的CPU支持的指令集会有所差异，但绝大部分是相同的。

我们以C语言中的加法为例来演示CPU指令的使用。假设有下面的C语言代码：

在VS2010 Debug模式下生成的CPU指令为：

mov 和 add 都是CPU指令：

1) mov 用来将一个数值移动到一个存储位置。这个数值可以是一个常数，也可以在内存或者寄存器上；这个存储位置可以是寄存器或者内存。

第一条指令中，ptr[a]表示变量 a 的地址，0X14是一个数值，mov ptr[a], 0X14表示把数值 0X14 移动到 ptr[a] 指向的内存，也就是给变量 a 赋值。第二条指令与此类似。

第三条指令中，eax是寄存器的名字，该寄存器常用在加法运算中，用来保存某个加数或运算结果，mov eax, ptr[a]表示把变量 a 的值移动到寄存器 eax 中。

第五条指令表示把寄存器 eax 的值移动到变量 c 中，此时 exa 中的值为 a、b 相加的和。

2) add 用来将两个数值相加，这两个数值可以在寄存器或者内存中，add 会将相加的结果放在第一个数所在的位置。第四条指令add  eax, ptr[b]表示把 eax 和 ptr[b] 中的数值相加，并把结果放在 eax 中。

总起来讲：第一二条指令给变量 a、b 赋值，第三四条指令完成加法运算，第五条指令将运算结果赋值给变量 c。

实际上，上面的代码是汇编语言，不是CPU指令，汇编语言还要经过简单的转换才能成为CPU指令；为了更加容易地说明问题，这些语句也没有严格遵守汇编的语法。有兴趣的同学可以自行学习汇编语言，这里不再展开讲解。

本节我们讲解了CPU的简单构造以及CPU指令，重点是让大家认识寄存器这个小而快速的存储部件，它在程序运行过程中起着至关重要的作用，CPU就是用它来记录程序的运行状态，然后根据它的值再决定下一步的操作。