程序员必备的软技能- CPU“没有灵魂的躯体”

引言

先引用一段比较有意思的论述：

现实中每个人是由两部分构成，灵魂和躯体，灵魂依附于躯体游走于世间，现实中我们面对的每个人其实面对的是其灵魂而非肉体，肉体不过是表象而已。

 

灵魂本性乃一恶物，寄生于躯体之中，控制躯体满足灵魂的各种欲望，躯体的各种行为无非是受灵魂控制，听从于灵魂的指令如线偶般摆动罢了。

 

世间各种生物其实也不过是一个个有灵魂寄生的躯体在游荡罢了，躯体形形色色，灵魂并没贵贱，不过因所寄生的躯壳不同而分出了个三、六、九等。

 

没有灵魂的物体不能称之为生物，有灵魂寄生的躯体称之为生命，灵魂控制躯体并受制于的躯体，躯体消亡灵魂附着无物也将冥灭，每个生命一生也就是其灵魂因恐惧冥灭而做的抗争吧了。

引自 躯体和灵魂

这段文字虽短，但能看得出作者的思想是深邃的，感悟是透彻的，经历是丰富的。生命的神圣看上去与躯体无关，值得敬畏的是那个灵魂。

好，言归正传~

我为什么说程序员眼中的 CPU 是没有灵魂的躯体？

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对于程序员来说，CPU 就是一个通过一系列寄存器控制的机器，机器的状态又可以被状态寄存器记录，只要把这些寄存器存个快照，即我们称之为上文，那么就可以在任何时候恢复这个快照，即恢复下文执行。

程序员设计了程序，来指导 CPU 完成特定工作，从上面的快照/上下文来看，它是可以被打断/恢复的。就像来自星星的你中教授暂停了时间，救下女主，然后让世界基于运行。

进一步的，我们可以对上下文“偷梁换柱”让多个任务切换运行，这可能就是平行世界的概念吧：上帝创造了世界的基础设施，多个世界可以在这些基础设施上来回切换。

这种上下文切换或者偷梁换柱依赖于有一个处于上帝视角的角色，可能是神是仙，可能是高维空间的生物，肯定不是你我。

CPU 中的一种特殊程序负责这个事情，叫做监管程序或者特权程序，他们负责保存上下文。

所以，CPU 只是一个容器、壳，具体怎么运行，执行什么，并不由它。

如果你想暂停让它暂停，很简单，把所有相关寄存器的数值存下来，然后你愿意让它干嘛干嘛，需要时把这些数值再恢复到寄存器中，它又开始继续运行了。

工具都具有这种属性，比如你手中的笔，身上的衣，它在实现其价值的时候并不绑定任何主体。

从这点来看，CPU 也可以认为是一个大可重入函数，谁都可以使用、调用，只要提供栈保存中间数据即可。

灵魂是自由的，不过没有躯体，也终究是孤魂野鬼。

上下文就是灵魂，函数调用栈也是灵魂，不过没有程式的躯体，也只能是一堆0101。

附录

发展历史

CPU出现于大规模集成电路时代，处理器架构设计的迭代更新以及集成电路工艺的不断提升促使其不断发展完善。从最初专用于数学计算到广泛应用于通用计算，从4位到8位、16位、32位处理器，最后到64位处理器，从各厂商互不兼容到不同指令集架构规范的出现，CPU 自诞生以来一直在飞速发展。 
CPU发展已经有40多年的历史了。我们通常将其分成六个阶段。 

• (1)第一阶段(1971年-1973年)。这是4位和8位低档微处理器时代，代表产品是Intel 4004处理器。 

1971年，Intel生产的4004微处理器将运算器和控制器集成在一个芯片上，标志着CPU的诞生； 1978年，8086处理器的出现奠定了X86指令集架构， 随后8086系列处理器被广泛应用于个人计算机终端、高性能服务器以及云服务器中。 

• (2)第二阶段(1974年-1977年)。这是8位中高档微处理器时代，代表产品是Intel 8080。此时指令系统已经比较完善了。 
• (3)第三阶段(1978年-1984年)。这是16位微处理器的时代，代表产品是Intel 8086。相对而言已经比较成熟了。 
• (4)第四阶段(1985年-1992年)。这是32位微处理器时代，代表产品是Intel 80386。已经可以胜任多任务、多用户的作业。 

1989 年发布的80486处理器实现了5级标量流水线，标志着CPU的初步成熟，也标志着传统处理器发展阶段的结束。 

• (5)第五阶段(1993年-2005年)。这是奔腾系列微处理器的时代。 

1995 年11 月，Intel发布了Pentium处理器，该处理器首次采用超标量指令流水结构，引入了指令的乱序执行和分支预测技术，大大提高了处理器的性能， 因此，超标量指令流水线结构一直被后续出现的现代处理器，如AMD（Advanced Micro devices）的锐龙、Intel的酷睿系列等所采用。 

• (6)第六阶段(2005年后)。处理器逐渐向更多核心，更高并行度发展。典型的代表有英特尔的酷睿系列处理器和AMD的锐龙系列处理器。 

为了满足操作系统的上层工作需求，现代处理器进一步引入了诸如并行化、多核化、虚拟化以及远程管理系统等功能，不断推动着上层信息系统向前发展。

工作原理

冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础。在该体系结构下，程序和数据统一存储，指令和数据需要从同一存储空间存取，经由同一总线传输，无法重叠执行。根据冯诺依曼体系，CPU的工作分为以下 5 个阶段：取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。 

• 取指令（IF，instruction fetch），即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。程序计数器中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当 一条指令被取出后，程序计数器（PC）中的数值将根据指令字长度自动递增。 
• 指令译码阶段（ID，instruction decode），取出指令后，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类 别以及各种获取操作数的方法。现代CISC处理器会将拆分已提高并行率和效率。 
• 执行指令阶段（EX，execute），具体实现指令的功能。CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。
• 访存取数阶段（MEM，memory），根据指令需要访问主存、读取操作数，CPU得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。部分指令不需要访问主存，则可以跳过该阶段。 
• 结果写回阶段（WB，write back），作为最后一个阶段，结果写回阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。结果数据一般会被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。 

在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就从程序计数器中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。 [1]  许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。

 

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