Как целочисленное сравнение работает внутри?

Например, при сравнении двух целых чисел в C-подобном языке:

if (3 > 2) {
    // do something
}

Каким образом решение о том, больше ли 3 больше 2 (верно) или нет (ложно), принято внутри страны?

Весь путь вниз по кроличьей норе, а? Хорошо, я попробую.

Шаг 1. От C до машинного языка

Компилятор C преобразует ваше сравнение в коды операций, хранящиеся на машинном языке . Машинный язык - это серия чисел, которые процессор интерпретирует как инструкции. В этом случае будет два кода операции: «вычитать с переносом» и «прыгать, если переносить». Другими словами, 2 вычитается из 3 в одной инструкции, а следующая команда проверяет, не переполнена ли она. Им должны предшествовать две инструкции для загрузки чисел 2 и 3 в места, где их можно сравнивать.

MOV AX, 3    ; Store 3 in register AX
MOV BX, 2    ; Store 2 in register BX
SUB AX, BX   ; Subtract BX from AX
JC  Label    ; If the previous operation overflowed, continue processing at memory location "Label"

Каждое из вышеперечисленных имеет двоичное представление; например, код SUBявляется 2Dшестнадцатеричным или 00101101двоичным.

Шаг 2. Опкоды для АЛУ

Арифметические опкоды нравится ADD, SUB, MULи DIVвыполнять основные целочисленную арифметику с использованием ALU или арифметико - логическое устройство , встроенный в CPU. Числа хранятся в регистрах некоторыми кодами операций; другие коды операций инструктируют микросхему вызывать ALU для выполнения математических операций в отношении всего, что хранится в регистрах в данный момент.

Примечание. На данный момент мы намного превосходим все, о чем беспокоится любой разработчик программного обеспечения, работая с 3GL, например C.

Шаг 3. АЛУ, полусуммер и полный сумматор

Знаете ли вы, что все известные вам математические операции могут быть сведены к серии операций NOR ? И именно так работает АЛУ.

ALU знает только, как работать с двоичными числами, и может выполнять только логические операции, такие как OR, NOT, AND и XOR. Реализация двоичного сложения и вычитания осуществляется с помощью последовательности логических операций, организованных определенным образом, в подсистеме, известной как сумматор . Эти подсистемы состоят из сети «полусумметров», которые работают с двумя битами и определяют их однобитную сумму и флаг переноса одного бита. Соединяя их вместе, ALU может выполнять операции с числами с 8, 16, 32 и т. Д. Битами.

Как насчет вычитания? Вычитание - это просто еще одна форма сложения:

A - B = A + (-B)

ALU вычисляет -B, взяв с дополнением до двух из B. Как только оно будет преобразовано в отрицательное, отправка значения сумматору приведет к операции вычитания.

Шаг 4: Последний шаг: встроенные транзисторы

Операции сумматоров реализуются с использованием комбинации электрических компонентов, которые взаимодействуют для создания «логических вентилей», таких как те, которые находятся в транзисторно-транзисторной логике или TTL, или в CMOS . Нажмите здесь для нескольких примеров, чтобы увидеть, как они связаны.

Конечно, на микросхеме эти «схемы» реализованы в миллионах мельчайших кусочков проводящего и непроводящего материала, но принцип такой же, как если бы они были полноразмерными компонентами на макете. Посмотрите это видео, которое показывает все транзисторы на микрочипе через объектив электронного микроскопа.

Некоторые дополнительные заметки:

1. Код, который вы написали, на самом деле был бы предварительно вычислен компилятором и не выполнялся во время выполнения, потому что он составлен исключительно из констант.

2. Некоторые компиляторы не компилируются в машинный код, но представляют еще один уровень, такой как байт-код Java или промежуточный язык .NET. Но в конце концов все это выполняется через машинный язык.

3. Некоторые математические операции фактически не вычисляются; они ищутся в больших таблицах на арифметическом блоке сопроцессора или содержат комбинацию поиска и вычисления или интерполяции. Примером может служить функция для вычисления квадратного корня . Современные ЦП каждого ПК имеют блок сопроцессора с плавающей запятой, встроенный в каждое ядро ​​ЦП.