直到我开始写 NEMU

以前上计算机组成原理的时候，我一直觉得”取指、译码、执行”这些词离实际编程很远。

书上会写：

CPU 从 PC 指向的地址取出指令，经过译码后执行，再更新 PC。

看起来很简单。

直到我开始写 NEMU。

我第一次看到这样一段代码：

static void exec_once(Decode *s, vaddr_t pc) {
  s->pc = pc;
  s->snpc = pc;
  isa_exec_once(s);
  cpu.pc = s->dnpc;
}

刚开始看的时候，我其实完全不知道这几行代码为什么就能”运行一个程序”。

pc 是什么？

snpc 和 dnpc 又是什么？

isa_exec_once() 到底干了什么？

那条 addi a0, a0, 1 到底是在什么时候变成二进制的？

后来我才慢慢意识到：

我们平时写下的一行 C 代码，在机器眼里早就已经完全消失了。

比如：

a = b + 1;

编译器可能把它变成：

addi a0, a1, 1

汇编器再把这条指令编码成一个 32 位整数。

最终 CPU 看到的东西，可能只是：

00000000000101011000010100010011

NEMU 所做的事情，就是假装自己是一颗 CPU。

它从内存中把这 32 位取出来，然后根据 opcode、funct3、funct7 等字段判断：

“哦，这是一条 addi。”

然后找到源寄存器，提取立即数，做一次加法，再把结果写入目标寄存器。

最后更新 PC。

就这样，一条指令结束。

然后下一条。

下一条。

再下一条。

直到程序结束。

这件事情最让我震撼的地方其实不是 NEMU 本身。

而是我第一次发现：

计算机并没有我以前想象中那么神秘。

一个复杂的软件栈，如果不断往下剥：

Python

→ C/C++

→ 汇编

→ ISA

→ 寄存器和内存

→ 数字逻辑

最后依然是一些非常简单的规则。

复杂性只是被一层一层包装起来了。

以前学编程的时候，我经常会有一种感觉：

“这个函数为什么能这么调用？”

“操作系统为什么能启动程序？”

“调试器为什么能看到寄存器？”

“函数调用为什么会自动返回？”

很多时候我的答案都是：

因为系统就是这么设计的。

现在我越来越不喜欢这个答案。

比如函数为什么可以返回？

因为 jal 会保存返回地址。

返回地址通常保存在 ra。

函数结束时执行类似：

jalr x0, 0(ra)

PC 又回到了调用者。

所谓的：

return;

底下其实发生的是这些事情。

我现在越来越喜欢这种学习方式：

不是记住”它能工作”。

而是继续往下问：

为什么？

如果不知道，就再往下一层。

直到找到一个我能够完全理解的机制为止。

也许这也是我越来越喜欢操作系统、体系结构和 AI Infra 的原因。

这些方向都在研究同一个问题：

那些我们平时认为”理所当然”的能力，到底是怎么被构建出来的？

而我想做的事情，就是把这些黑盒，一个一个拆开。