IT自救術－處理器的結構

俗諺有云：「打蛇打七寸，擒賊先擒王」。為了了解電腦的原理，通常在了解電腦的基本操作之後，想多懂一點的人，可以針對電腦的各個「器官」做深入的研究。在電腦的專門學問裡面，有一門稱為「計算機組織」（Computer Organization）的，就是在教這個事情。

而電腦裡面最重要的「器官」，首推處理器。

不過，我不是教授，各位也不是學生，只是「輕鬆但是熱切的」想要多懂一點電腦的知識而已，這專欄也不是計算機組織專業課程，所以，各位不用緊張。

但是，我們還是得學學簡單的組合語言程式，藉以了解處理器的運作原理，這和計算機組織的課程內容很類似。所不同的是，這是由筆者「不負責不專業」的觀點來介紹的，所以內容若不夠精彩、實用，還請各位請多忍耐、多包涵。

「機械運算」和「心智活動」的分離
假設今天，你要設計一臺「計算機器」，你會怎麼做？

這和數學的原理，以及機械的原理，都有一點關係。

如果算盤是中國人發明的，那這是流傳至今，最古老的計算機器。但是，嚴格說來，算盤僅是「方便你記錄數字運算過程狀態和結果」的機器，並非真的幫你計算。

因為算盤沒法自動計算。

想像一下，用算盤計算「4 + 3」怎麼做？

你撥動下方的四個算珠，代表4，然後撥動上方的一個算珠，代表5，然後去掉下方的二個算珠（因為要加3，底下的算珠不夠加，於是下5去2）。

過程中，你的「人腦」不斷運作並介入運算。算盤的好處只是幫你記錄運算過程的狀態，當你大量的運算數字時，省下你用紙筆寫數字的苦工。

如果你用算盤進行乘除，也是一樣的。有沒有辦法不會背九九乘法表，就用算盤進行乘法演算？恐怕不行。要計算「8 乘以 9」，你還是得知道「八 九 七十二」，然後用算盤記錄你演算的結果。

在我們簡單的想像中，我們可以理解到：這是一種堪用，但不夠好用的計算機器。甚至我們只能說，算盤是個計算狀態記錄器，不能算是計算機器。

只是心智活動的「模擬」而已
但製造計算機器的人們，所想要得到的，是更自動化的機器，能夠省去大量的心智活動，並仍能得到絕對精確結果的機器。

試想一下，「8 乘以 9等於72」，等一下，你有真的「把9連加8次」（或是，把8連加9次）嗎？換句話說，人類很早就知道，「心智的活動和演算的精確」可以完全無關，演算行為可以用完全機械化的方法加以得到，而且完全不損及其精確的程度。就「八 九 七十二」這個例子而言，也許你會背誦，但你完全不知道原來「八 九 七十二」其實是「把9連加8次」。問題是，你還是可以得到正確答案。

（既然提到這個，順便來談談過去幾年討論得沸沸湯湯的「建構式數學」。很多人不了解，為何建構式數學那麼的「蠢」？其實，它的目的未必是錯誤的，它僅是希望學生「徹底了解演算背後的心智活動」，而不要「鸚鵡學語似的」僅把機械演算行為背起來。不過，矯枉過正的結果，讓我們的「某一代學生」數學能力低落，因為，其實只要真正的理解演算原理之後，機械計算行為，像是九九乘法表仍是有必要的，可以簡化演算的過程。如果一步一步的演算過程每次都要重複且累加，那研究到化學「摩耳數」的時候不知道要怎辦，6.02 x 1023？加到死嗎？）

所以，為了做出這種機器，工程師發明了「處理器」這種東西。

處理器得是個，你輸入「3 + 4」，就真的可以跑出「7」這樣的機器，否則它就沒有被製造出來的意義了。但是，它的設計並不是模擬思考，它只是被設計的「像是有」心智，但是，它其實「完全沒有」。處理器只是它被設計成「3 + 4會跑出7這個答案」，但處理器「完全沒有理解力」，它只是機械而已。所以，不用幻想它會生出智慧，我想我們有生之年都看不到這種事情成真。

計算機器的誕生
一般而言，人類習慣的演算是十進位，而且為了解決各種問題，人類不斷的研究各種科學（物理、化學、數學、建築、遺傳、生理及醫學……）。但科學家很快的就發現，要設計一種「十進位的計算機器」，用「純機械的方式」是可能的，但是困難度很高。

再次強調，「可能，但困難度很高」。而且，這樣做很浪費能源，也容易失去精確度。但嚴格來說，如果你用槓桿、棍棒、水力機械、傳動皮帶、齒輪去設計電腦（或是計算機器），意義上和一臺現代電腦也沒差別就是了。只是，這樣的電腦，應該不實用。

歷史上有些成功的經驗，有些失敗的經驗，比較有名的就是「差分機」或是「分析機」，但是純機械式的設計真的太難了。所以，經過了長久的試驗，科學家最後找到的答案是：將演算變成「二進位」，並使用電子作為訊號傳遞的工具，用邏輯閘做各種演算的模擬。而製造這些邏輯閘的元件，早期使用真空管，近代則使用所謂的半導體電路。

數學家很早就發現，機械化的演算可以重複施為，只要你可以系統化的描述之。這種機械化的演算，就問題的總量上，雖然可能只占人類必須處理的問題的百分之五；但在人類常用的演算行為上，卻可能占了百分之九十五的演算份量。日常的財務計算，公司的帳目處理、國際金融的匯款……，這些都不是複雜的數學問題，但這都需要大量且精確的數字計算。

所以我們設計出電腦，來做這些工作。

早期的電腦有所謂的「中央處理器」，稱為CPU，它是電腦演算工作的核心。不過，一般人不知道的是：CPU裡面有一個稱為「暫存器（register）」的東西，暫存器則是處理器的工作核心。最早期的CPU只有一個暫存器，被稱為累積器或累加器（accumulator）。整臺電腦就利用這個累加器，進行各種演算──高速（以當時的眼光看）的演算。

處理器架構簡介
現在，CPU被稱為「處理器（Processor）」，專門進行演算的工作。為了解釋「處理器如何執行演算」，你得先知道現代處理器裡面的一般性結構：

暫存器（Register）
請注意，現代處理器裡面有大量的暫存器，它的用途就是「暫存要演算的相關資訊」。以剛才的「累加器」來講，當你要計算「3 + 4」這樣的演算時，早期電腦（處理器）的作法會是，你把「3」放進暫存器裡（處理器的設計，會使用電路設法「暫時維持住」裡面的「3」這個訊息），然後用電路進行「+ 4」的演算，再把結果（7）送到這暫存器裡面存放，這樣就完成了「3 + 4」的演算。

指令（Instruction）
印字程式範例中的「MOV」、「INC」、「LOOP」，這些就是指令。
每一個處理器，都有大量的指令，讓使用者對處理器下命令做演算。

指令能做的事情大多十分單純，以「3 + 4」這麼一個簡單的事情而言，在x86處理器上，你得用二行程式（在DEBUG裡面即可做）：

MOV AX, 03
ADD AX, 04

這樣才能完成一個3 + 4的工作。MOV AX, 03＝把3移動到AX暫存器（AX是x86處理器的accumulator，累加器，萬用暫存器），ADD AX, 04＝把4加到AX現有的內容（也就是3）裡面。加完後，AX裡面就會有7這個結果。

組合語言（Assembly Language）
所以，學習一個處理器，就得搞懂它的結構，和它常用的指令有哪些。用這些指令和處理器裡面的結構（主要是暫存器）組合而成的程式語言，稱為組合語言。

由於每一種處理器的指令格式和內部結構，相互之間都有頗大的差距，所以組合語言是每一種處理器都不一樣的。學會了甲處理器的組合語言，到了乙處理器恐怕得重學。此外，組合語言基本上只能使用處理器相關的指令來寫程式，幾乎就像是「你直接用生物訊號控制你手腳的移動」那樣，所以組合語言也被視為是一種「低階」語言（是低階，low-level language，不是「低級」喔）。

本期結語：下期來介紹x86處理器的「專屬架構」
所以，如果我們想了解x86處理器，那我們得找一本書（或是參考資料），先研究x86的專屬架構。

什麼是專屬架構？

每一顆處理器都有屬於它的專屬架構，比方說，處理器甲有暫存器，處理器乙也有暫存器，但它們的暫存器不一定有相同的用法和名稱。

所以，我們要研究x86處理器的話，就得先熟知它的專屬架構才行。「它有哪些暫存器？」「暫存器的大部分功用是什麼？」「它有哪些指令？」「指令的格式是什麼？」「指令的功用又為何？」接下來我們得研究：「處理器怎樣完成各種特定的演算？」像是加減乘除；「處理器能處理的數值系統有哪些？」2進位、10進位和16進位的互換，或是整數、浮點數的演算。

有時我們還得研究「作業系統」的支援，像是：「怎樣用作業系統的內建功能，寫出有用的程式。」不過，這算是一個程式設計師的研究範疇就是了。我們只是藉組合語言想研究x86處理器的原理，應該不用研究到那裡，但了解一下也不壞。

不過，這些都只是「紙上談兵」，因為就算我們學完這一切，我們對於怎麼去做出處理器還是沒有概念。但這更難，這是硬體工程的研究範疇。能夠理解大致的原理我個人認為已經很夠了，更深入的了解我也沒法介紹──因為我也不懂。

我只希望，下期可以簡單又簡單的介紹一下x86的基本架構，它的暫存器有哪些，慢慢慢慢的，一步一步的介紹，我們終於就可以了解處理器的原理了。