CPU 工作 (2)

Source: Dev.to

CPU 如何实现循环和条件

虽然 CPU 只对数字进行算术运算，但它仍然可以通过特殊的 分支指令 来改变执行流，从而实现循环和条件分支。

条件跳转 (JZ)

一种典型的条件跳转指令是 JZ（zero 为真时跳转）。当特定标志位（零标志）被置位时，它会把控制权转移到标记的地址。

LOAD A, 1
LOAD B, 1

CMP A, B        ; compare A and B
JZ exit         ; jump to `exit` if the comparison result is zero
STOREM A, 0     ; store register A to memory
exit:
HALT

JZ 检查什么？

JZ 不检查标签本身。它查看 Zero 标志 (Z)，该标志由前面的 CMP 指令设置。如果标志为真（1），CPU 就跳转到标签标记的地址。

CMP 更新的标志

CMP（比较）指令会把一个操作数从另一个操作数中减去 但不保存结果；它只会更新状态标志：

在真实的 CPU 中，这些标志位存放在状态/标志寄存器中；在模拟器里可以用一个简单的结构体来保存。

循环示例

循环可以由条件跳转 (JZ) 和无条件跳转 (JMP) 组合而成。

LOAD A, 4
LOAD B, 1
LOAD C, 1

loop:
    SUB A, B          ; A = A - B
    CMP A, C
    JZ exit           ; if A == C, exit loop
    JMP loop          ; otherwise repeat
exit:
    HALT

• JZ 实现条件退出。
• JMP 无条件跳回循环起始处。

如果零标志未被置位，执行会继续到 JMP，它始终把控制权转回 loop。

CMP 的实现（模拟）

// Subtract operandB from operandA and set flags
int temp = reg.r[inst.operandA] - reg.r[inst.operandB];
flag.zero     = (temp == 0);
flag.negative = (temp < 0);
programCounter++;   // advance to next instruction

关键规则：CMP 不能修改任何寄存器或内存；它只更新标志位。

其他跳转指令

根据 CPU 设计的不同，还可能提供其他条件跳转指令，例如：

• JG – 大于时跳转（Z = 0 且 N = 0）
• JL – 小于时跳转（N = 1）
• JNZ – 非零时跳转（Z = 0）

这些指令使用 CMP 或类似指令设置的相同标志位。

高层代码到 CPU 分支的映射

考虑下面的 C 风格条件语句：

int valueA = 2;
int valueB = 3;

if (valueA == valueB) {
    // do stuff
}

在机器层面，编译器通常会生成：

1. CMP valueA, valueB – 根据 valueA - valueB 设置标志位。
2. JZ label – 如果零标志被置位（即两值相等），跳转到代码块。

因此，即使是复杂的高级结构，也会归结为一系列设置标志的比较指令和分支指令。