整数比較は内部的にどのように機能しますか？

たとえば、Cのような言語で2つの整数を次のように比較する場合：

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

3が2より大きい（true）かそうでない（false）かは、内部でどのように判断されますか？

うさぎの穴をずっと下って、え？試してみます。

ステップ1. Cから機械語へ

Cコンパイラは、比較を機械語で保存されたオペコードに変換します。機械語は、CPUが命令として解釈する一連の数字です。この場合、「キャリー付き減算」と「キャリーの場合ジャンプ」という2つのオペコードがあります。つまり、1つの命令で3から2を減算し、次の命令がオーバーフローしたかどうかを確認します。これらの前に、2と3を比較可能な場所にロードする2つの命令があります。

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"

上記のそれぞれにはバイナリ表現があります。たとえば、のコードSUBは2D16進数または00101101バイナリです。

ステップ2. ALUへのオペコード

算術演算のようなオペコードADD、SUB、MUL、およびDIV使用して基本的な整数演算を実行するALUまたは論理演算装置は、 CPUに内蔵されて。数は、いくつかのオペコードによってレジスタに保存されます。他のオペコードは、ALUを呼び出して、その時点でレジスターに保存されているものを計算するようにチップに指示します。

注：この時点で、Cのような3GLを使用する場合、ソフトウェアエンジニアが心配することは何もありません。

ステップ3. ALU、半加算器、および全加算器

あなたが知っているすべての数学的操作は、一連のNOR操作に還元できることをご存知ですか？そして、それがまさにALUの仕組みです。

ALUは2進数の操作方法のみを知っており、OR、NOT、AND、XORなどの論理演算のみを実行できます。バイナリの加算と減算の実装は、加算器と呼ばれるサブシステムで、特定の方法で配置された一連の論理演算で実現されます。これらのサブシステムは、2ビットで動作し、1ビットの合計と1ビットのキャリーフラグを決定する「半加算器」のネットワークで構成されています。これらを一緒に連鎖させることにより、ALUは8、16、32などのビットで数値の演算を実行できます。

減算はどうですか？減算は、加算のもう1つの形式です。

A - B = A + (-B)

ALU -Bは、の2の補数を取ることにより計算しBます。負に変換されると、加算器に値を送信すると、減算演算が行われます。

ステップ4：最終ステップ：オンチップトランジスタ

加算器の動作は、相互作用して「トランジスターゲート」を作成する電気コンポーネントの組み合わせを使用して実装されます。たとえば、トランジスタートランジスターロジックまたはTTL、またはCMOSにあります。クリックしてここにこれらがアップ配線されているかを確認するためにいくつかの例のために。

もちろん、これらの「回路」は、チップ上に数百万の導電性および非導電性材料の小さなビットで実装されていますが、原理はブレッドボード上のフルサイズのコンポーネントと同じです。 電子顕微鏡のレンズを通してマイクロチップ上のすべてのトランジスタを示すこのビデオをご覧ください。

いくつかの追加のメモ：

1. あなたが書いたコードは、実際にはコンパイラによって事前に計算され、実行時に実行されません。これは、コードが定数のみで構成されているためです。

2. 一部のコンパイラは、マシンコードにコンパイルしませんが、Javaバイトコードや.NET中間言語など、さらに別のレイヤーを導入します。しかし、最終的にはすべて機械語で実行されます。

3. 一部の数学演算は実際には計算されません。それらは、算術コプロセッシングユニットの大規模なテーブルで検索されるか、ルックアップと計算または補間の組み合わせを含みます。例は平方根を計算する関数です。最新のPC CPUには、各CPUコアに浮動小数点コプロセッシングユニットが組み込まれています。