最最最基础的计算机底层执行逻辑！！！

引言

我们平时写代码使用的语言是高级语言，计算机看不懂，计算机硬件只认识电信号===高低电平也就是0/1二进制机器语言

程序的执行过程：高级语言--->汇编语言--->机器语言

计算机底层只有指令+数据

一、计算机核心组件

• 输入输出设备（IO）：键盘、屏幕、磁盘
• 存储器：存放指令与数据（主存 = 内存）
• 运算器 + 控制器：合称 CPU，负责解析与执行指令

1.存储器

程序要运行，必须先加载到主存（内存），磁盘无法被 CPU 直接访问。

（1）主存内部结构：

• 存储体 ：真正存数据的地方，由无数存储单元组成
• 每个存储单元对应一个唯一地址
• 数据按单元读写

（2）两个关键寄存器：MAR / MDR

• MAR（地址寄存器）：存放要访问的内存单元地址；MAR的位数=能访问多少个存储单元，n位MAR对应2ⁿ 个单元
• MDR（数据寄存器）：存放从内存读出 / 要写入内存的数据；决定一次读写多少bit的数据

（3）读取数据流程：

• CPU 把数据地址 → MAR
• MAR 根据地址去存储体找数据
• 读出的数据 → MDR
• CPU 从 MDR 拿走数据

（4）写入数据流程：

• CPU 把目标地址 → MAR
• 把要写的数据 → MDR
• 向内存发 "写信号"
• 内存把 MDR 数据写入 MAR 指向的单元

2.运算器：负责"计算"

运算器是 CPU 的 "计算器"，核心组件：

• ALU（算术逻辑单元）：真正做加减乘除
• ACC（累加器）：存放操作数 + 保存结果
• X 寄存器：存放第二个操作数
• MQ 寄存器：乘法 / 除法专用

运算器只做一件事：从寄存器拿数 → ALU 算 → 写回寄存器。

3.控制器：大脑

控制器保证指令一条一条有序执行，核心三组件：

• PC（程序计数器） 永远存下一条指令的地址，指令取完自动 +1。

• IR（指令寄存器） 存放当前正在执行的指令，分为两部分：

  • 操作码：做什么（加、乘、存）
  • 地址码：操作数在哪

• CU（控制单元） 翻译操作码，发出电信号，指挥存储器、运算器配合工作。

二、底层指令过程

这里用一个例子来进行讲解整个过程：

a=2，b=3，c=1
y = a*b + c

注意：一条指令的执行分为两个阶段：取指阶段、执行阶段

第一条指令：

首先CPU把地址给MAR，MAR去存储体中拿指令，把指令交给MDR，MDR再把数据交给IR；IR会区分指令是操作码还是地址码，地址码再次给到MAR，操作码给CU

MAR收到IR给的地址码，去存储体中对应地址，把数据交给MDR

之后CU开始（操作码），CU知道了你要把数据存到ACC中，之后就会把MDR的数据a交给ACC当中

第二条指令:

PC在第一条指令在执行过程中就已经指向第二条指令

CU之前的步骤和第一条指令一样就省略不写，当CU 读取操作码之后，会控制数据从MDR给到X寄存器当中，因为要进行a*b，所以第一条指令在ACC中存储的a的值会给ALU，X再把b交给ALU，在ALU中进行乘法运算，所得结果再次回到ACC中；在这里的X作用就是存储另一个操作数

之后指令过程省略

三、程序的执行本质

一个程序运行起来 = 一个 / 多个线程

一个线程运行 = 不断入栈、出栈、切换栈帧

方法调用 = 栈帧切换 ：计算机世界里，没有 "函数调用"，只有栈的压入与弹出。

四、栈与栈帧：函数调用的底层逻辑

1.前置知识

（1）栈

在计算机里面栈的开口方向是朝下的，栈从高地址--->低地址生长，栈底在高地址，栈顶在低地址

push → esp 向低地址移动；pop → esp 向高地址移动

（2）栈指针

• ebp：栈基指针（固定不动）： 定位当前栈帧的底部，用来找参数、局部变量
• esp：栈顶指针（随时变化） ：push/pop 都会移动 esp

2.栈帧切换过程

用例子来讲：main（）调用add（）

（1）第一步：call 指令（调用函数）

call add

做两件事：

1. 把下一条指令地址（返回地址）压入栈
2. 跳转到 add 函数入口

（2）第二步：创建新栈帧（add 栈帧）

push ebp
mov ebp, esp
sub esp, 空间大小

解释：

1. push ebp：保存上一层栈（main）的栈底
2. mov ebp, esp：让 ebp 指向当前栈顶，确立新栈帧的底
3. sub esp, xx：抬高栈顶，给局部变量开辟空间

栈帧正式建立

（3）第三步：执行 add 内部逻辑

使用 [ebp+8] 取参数

使用 [ebp-4] 存取局部变量 运算全部在寄存器中完成

（4）第四步：函数返回前准备

mov eax, 返回值

返回值放在 eax 中带回上一层。

（5）第五步：销毁当前栈帧

leave

等价于：

mov esp, ebp
pop ebp

作用：

• 让 esp 恢复到 ebp 位置
• 弹出旧 ebp，恢复 main 的栈底

add 栈帧彻底销毁

（6）第六步：返回到 main

ret

弹出栈顶的返回地址 → PC 跳回 main 继续执行。

3.总结

函数调用就是栈帧的保存、切换、恢复