F4 计算机系统的状态机模型

计算机是严谨的，输入与输出有着严格的end to end的关系，我们要处理的中央处理器（CPU），也是这样的装置。

处理器是一个机械地进行数据处理的装置, 它要做何种处理, 就应该是受到某种方式的控制, 而不存在可以自己思考的智能。这样的处理器的媒介，就是指令。我们可以用加法字段对两个数据相加，和我们在计算器中的控制码是非常的类似的。

要”用加法指令来控制处理器对两个数据进行相加”, 说明一条指令需要给出两方面的信息: 一方面, 计算机需要处理的数据有很多, 因此指令中需要指定需要处理哪些数据, 这称为指令的”操作数”(operand)字段; 另一方面, 计算机处理数据的方式也有很多种, 因此指令中也需要指定用何种方式处理数据, 这称为指令的”操作码”(opcode)字段.

我们看到，在计算中的很多结果，需要保存起来供后续使用，这种东西就叫做寄存器。由于这样的寄存器用于处理一般数据，一次也称为通用寄存器（GPR）。相对地，有一些寄存器地功能并不是用于一般处理，便不叫作GPR

存储程序

程序的本质就是一段指令序列

那就有一个问题，计算机为什么会比计算器强太多。答案在于计算机的工作机制: 它可以让程序来自动控制计算机的执行.具体地, 我们可以先把一段指令序列放在存储器(如现代计算机的内存)中, 让计算机从内存中取出指令来执行; 重要的是, 当计算机执行完一条指令之后, 就继续执行下一条指令. 为了能让计算机知道下一条指令在哪里, 还需要有一个用于指示当前执行到哪条指令的部件, 这个部件称为“程序计数器”(Program Counter, PC).

从此以后, 计算机只需要做一件事情:

重复以下步骤:
  从PC指示的存储器位置取出指令
  执行指令
  更新PC

如果是PC存储了当前的指令地位置，那PC也应该是一个寄存器，所以有一些新的玩法。比如说bner0指令。它是Branch if Not Equal r0的缩写, 如果执行这条指令的时候R[rs2]与R[0]不相等, 则将PC寄存器更新为addr，类似于我们看到的特殊函数“jump”。

计算10以内的奇数之和

尝试用上述指令编写一个程序, 求出10以内的奇数之和, 即计算1+3+5+7+9. 编写后, 尝试列出处理器状态的变化过程, 以此来检查你编写的程序是否正确.
我们计算得到最后的结果是25，可以用一个大于四位的一个寄存器。

我们需要

一个寄存器寄存9，bner0进行终止程序
一个寄存器寄存被加数，即为1，3，5，7，9；
我们要对被加数的寄存器进行迭代，所以我们需要一个加数，寄存器寄存2

所以其实现可以位：

1: li r0 9
2: li r1 0
3: li r2 1
4: li r3 2
5: add r1 r1 r2
6: add r2 r2 r3
7: benr0 r2 5
8: nop

指令集架构的状态机模型

GPR, PC, 存储器, 指令及其执行过程, 在计算机领域中属于指令集架构Instruction Set Architecture, 缩写为ISA, 也简称指令集)的范畴. 你可能听说过x86, ARM, RISC-V等概念, 它们其实都是ISA.

我们先来一个对我们理解计算机系统非常重要的数学模型: 状态机.

我们在状态机的视角去理解ISA

状态：PC GPR和内存
激励事件：指令
状态转移规则：由指令决定
初始状态

C语言

C是一门高级编程语言，C是高级编程语言中，和计算机的实际的处理过程非常接近的一种，我们几乎能从代码本身中看出计算机时如何执行的。

c语言中的注释和do-while循环：

#include <stdio.h>

/* 1 */ int main() {
/* 2 */   int sum = 0;
/* 3 */   int i = 1;
/* 4 */   do {
/* 5 */     sum = sum + i;
/* 6 */     i = i + 1;
/* 7 */   } while (i <= 10);
/* 8 */   printf("sum = %d\n", sum);
/* 9 */   return 0;
/* 10*/ }