当执行汇编指令MOV [0001H] 01H时，计算机都做了什么？

今天和几位单位大佬聊天时，讨论到一个非常有趣的问题-当程序执行MOV [0001H], 01H计算机实际上都做了哪些工作？乍一看这个问题平平无奇，CPU只是把立即数01H放在了地址为0001的内存里，但仔细想想这个问题远没有那么简单，由于现代计算机体系中CPU速度比内存要快2到3个个数量级，因此从CPU执行MOV指令，到实际把01H写入内存之间，还有非常漫长而复杂的过程。

为了回答好这个问题，我翻阅了一些资料，发现不同时代的CPU在执行这个操作时，行为也不一样，下面分享一下我的成果。

一.386及之前的CPU

从现在的角度来看，386及以前的CPU完全是上古时期的物件，还没有指令流水线的概念，当CPU执行这条汇编指令时，会和我们的第一印象差不多，基本会是按照以下步骤进行工作：

1.取指、译码，简单说就是从可执行文件中把MOV的二进制表示100010翻译出来。

2. 取操作数，将立即数01H加载到内部寄存器。

3. 取内存地址，将内存地址0001H（地址为0001的内存单元，不考虑段寄存器加偏移量的形式）加载到内部寄存器。

4. 指令执行，将内存地址0001H所指向的内存单元与内部寄存器中的数据（即01H）进行写入操作，完成将01H写入到内存单元000H1的操作。

二.486与酷睿之前的CPU

这个阶段的CPU和386相比增加了指令流水线的概念，我们知道CPU的每个动作都需要用晶体震荡而触发，想完成一个最简单的指令也需要取指、译码、取操作数、执行以及获取操作结果等若干步骤，而每个步骤都需要一次晶体震荡才能推进，因此在流水线技术出现之前执行一条指令至少需要5到6次晶体震荡周期才能完成。

而流水线的思想就是将不同指令的译码、寻址、执行等操作，放在一个震荡周期中并发完成。

但上述升级对于MOV [0001H] 01H指令的执行没有带来太多本质变化。

三、酷睿后的现代多核CPU

在2006年英特尔发布一代酷睿处理器之后，现代桌面CPU正式进入了多核时代，现代CPU在执行指令时会和内存交互，但CPU本身只是直接操作高速缓存而不会直接操作内存。

现代X86 CPU的高速缓存（Cache），包括多级缓存（L1、L2、L3）。高速缓存是位于CPU内部的一块快速访问的存储区域，用于临时存储从主内存中读取的指令和数据。当CPU需要访问内存时，它首先会检查高速缓存，如果所需数据已经存在于高速缓存中，CPU会直接从高速缓存中读取或写入数据，无需访问主内存。其中L1和L2为每个CPU核心的专属缓存，L3为各核心的共享使用。 CPU多核心之间的高速缓存同步一般按照MESI协议进行，即每个缓存行都有四个状态，分别是E（exclusive）、M（modified）、S（shared）、I（invalid），说明如下：

M：代表该缓存行中的内容被修改，并且该缓存行只被缓存在该CPU中。这个状态代表缓存行的数据和内存中的数据不同。

E：代表该缓存行对应内存中的内容只被该CPU缓存，其他CPU没有缓存该缓存对应内存行中的内容。这个状态的缓存行中的数据与内存的数据一致。

I：代表该缓存行中的内容无效。

：:该状态意味着数不只存在在本地CPU缓存中，还存在其它CPU的缓存中。这个状态的数据和内存中的数据也是一致的。不过只要有CPU修改该缓存行都会使该行状态变成 I 。

四种状态的状态转移图如下：

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在初始执行MOV [0001H] 01H，实际执行这条语句的核心上会触发local write的动作，这实际会把内存地址对应的缓址行置为Modify状态，而Modify状态下内存和缓存的内容实际是不一致的。而01H到底会不会被写回内存也是需要讨论的。

01H被显式写入内存0001H：这种情况也有其他其它核心也发起了对于0001H地址的读取操作，即发起remote read，在这种情况缓存的状态会从Modify迁移到Share状态，而Share状态下缓存中的数据会被显示的写回内存。也就是MOV [0001H] 01H被实际执行完成。

01H未被写入内存0001H：这种情有其他其它核心发对于地于0001H的写操作，即发起remote wri，e,这种情况下，在这种情况缓存的状态会从Modify迁移到Invalid状态，而Invalid状态下的调整缓存数据不会再被写入内存了。

01H的内存写入状态未知：如果0001H地址的读写一直由同一核心操作，那么这种情况下缓存的状态就一直是Modify，那么这时候01H是否被写入内存，就取决于0001H这个内存地址是否能始终处于热点访问状态了，如果该地址一直在缓存中不被换出的话，那么01H的值有可能不会被写入内存，只有当该地址从缓存中换出时才会触发内存的回写操作。

总之，现代的CPU在执行MOV [0001H] 01H这样一条平平无奇的指令时，其实背后也做了很多工作，甚至操作完成后01H的值到底有没有写入到内存地址0001H也是很不确定的，希望通过本文梳理各阶段CPU执行MOV [0001H] 01H指令的过程，可以帮助读者更好的理解现代CPU的工作原理。