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  现代计算机的基本结构为五个部分：CPU、内存、总线、输入/输出设备。或许你了解了这些概念，但是你知道a=1+1在计算机中是如何执行的呢？

1、硬件结构介绍

1.1、CPU

  中央处理器也就是我们常说的 CPU，32 位和 64 位 CPU 最主要区别在于⼀次能计算多少字节数据：

32 位 CPU ⼀次可以计算 4 个字节；
64 位 CPU ⼀次可以计算 8 个字节；
这⾥的 32 位和 64 位，通常称为 CPU 的位宽，位宽越⼤，可以计算的数值就越⼤，⽐如说 32 位 CPU 能算的最⼤整数是 4294967295 。

  CPU 内部还有⼀些组件，常⻅的有寄存器、控制单元和逻辑运算单元等。其中，控制单元负责控制 CPU⼯作，逻辑运算单元负责计算，⽽寄存器可以分为多种类，每种寄存器的功能⼜不尽相同。
  有内存为什么还需要寄存器呢？内存离 CPU 太远了，⽽寄存器就在 CPU ⾥，还紧挨着控制单元和逻辑运算单元，⾃然计算时速度会很快。

常⻅的寄存器种类：

• 程序计数器，⽤来存储 CPU要执⾏下⼀条指令「所在的内存地址」，注意不是存储了下⼀条要执⾏的指令，此时指令还在内存中，程序计数器只是存储了下⼀条指令的地址。
• 指令寄存器，⽤来存放程序计数器指向的指令，也就是指令本身，指令被执⾏完成之前，指令都存储在这⾥。
• 通⽤寄存器，⽤来存放需要进⾏运算的数据，⽐如需要进⾏加和运算的两个数据。

1.2、内存

  我们的程序和数据都是存储在内存，存储的区域是线性的。
  数据存储的单位是⼀个⼆进制位（bit），即 0 或 1。最⼩的存储单位是字节（byte），1 字节等于 8 位。
  内存的地址是从 0 开始编号的，然后⾃增排列，最后⼀个地址为内存总字节数 - 1，这种结构好似我们程序⾥的数组，所以内存的读写任何⼀个数据的速度都是⼀样的。
   32 位 CPU 最⼤只能操作 4GB 内存，就算你装了 8 GB 内存条，也没⽤。⽽ 64 位 CPU 寻址范围则很⼤，理论最⼤的寻址空间为 2^64 。

1.3、总线

  总线是⽤于 CPU 和内存以及其他设备之间的通信，

总线可分为 3 种：

• 地址总线，⽤于指定 CPU 将要操作的内存地址；
• 数据总线，⽤于读写内存的数据；
• 控制总线，⽤于发送和接收信号，⽐如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后⾃然进⾏响应，这时也需要控制总线；

  当 CPU 要读写内存数据的时候，⼀般需要通过两个总线：⾸先要通过「地址总线」来指定内存的地址；再通过「数据总线」来传输数据；

1.4、输入/输出设备

  输⼊设备向计算机输⼊数据，计算机经过计算后，把数据输出给输出设备。期间，如果输⼊设备是键盘，按下按键时是需要和 CPU 进⾏交互的，这时就需要⽤到控制总线了。

2、程序执行的基本过程

  那 CPU 执⾏程序的过程如下：

• 第⼀步，CPU 读取「程序计数器」的值，这个值是指令的内存地址，然后 CPU 的「控制单元」操作「地址总线」指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过「数据总 线」将指令数据传给 CPU，CPU收到内存传来的数据后，将这个指令数据存⼊到「指令寄存器」。
• 第⼆步，CPU分析「指令寄存器」中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给「逻辑运算单元」运算；如果是存储类型的指令，则交由「控制单元」执⾏；
• 第三步，CPU执⾏完指令后，「程序计数器」的值⾃增，表示指向下⼀条指令。这个⾃增的⼤⼩，由 CPU 的位宽决定，⽐如 32 位的 CPU，指令是 4个字节，需要 4 个内存地址存放，因此「程序计数 器」的值会⾃增 4；

  简单总结⼀下就是，⼀个程序执⾏的时候，CPU 会根据程序计数器⾥的内存地址，从内存⾥⾯把需要执⾏的指令读取到指令寄存器⾥⾯执⾏，然后根据指令⻓度⾃增，开始顺序读取下⼀条指令。
  CPU 从程序计数器读取指令、到执⾏、再到下⼀条指令，这个过程会不断循环，直到程序执⾏结束，这个不断循环的过程被称为 CPU 的指令周期。

3、a=1+1执行的详细过程

  CPU 是不认识 a = 1 + 2 这个字符串，这些字符串只是⽅便我们程序员认识，要想这段程序能跑起来，还需要把整个程序翻译成汇编语⾔的程序，这个过程称为编译成汇编代码。
  针对汇编代码，我们还需要⽤汇编器翻译成机器码，这些机器码由 0 和 1 组成的机器语⾔，这⼀条条机器码，就是⼀条条的计算机指令，这个才是 CPU 能够真正认识的东⻄。
  下⾯来看看 a = 1 + 2 在 32 位 CPU 的执⾏过程。程序编译过程中，编译器通过分析代码，发现 1 和 2 是数据，于是程序运⾏时，内存会有个专⻔的区域来存放这些数据，这个区域就是「数据段」。如下图，数据 1 和 2 的区域位置：

数据 1 被存放到 0x100 位置；
数据 2 被存放到 0x104 位置；

注意，数据和指令是分开区域存放的，存放指令区域的地⽅称为「正⽂段」。

  编译器会把 a = 1 + 2 翻译成 4 条指令，存放到正⽂段中。如图，这 4 条指令被存放到了 0x200 ~ 0x20c的区域中：

0x200 的内容是 load 指令将 0x100 地址中的数据 1 装⼊到寄存器 R0 ；
0x204 的内容是 load 指令将0x104 地址中的数据 2 装⼊到寄存器 R1 ；
0x208 的内容是 add 指令将寄存器 R0 和 R1的数据相加，并把结果存放到寄存器 R2 ；
0x20c 的内容是 store 指令将寄存器 R2 中的数据存回数据段中的 0x108地址中，这个地址也就 是变量 a 内存中的地址；

  编译完成后，具体执⾏程序的时候，程序计数器会被设置为 0x200 地址，然后依次执⾏这 4 条指令。
  上⾯的例⼦中，由于是在 32 位 CPU 执⾏的，因此⼀条指令是占 32 位⼤⼩，所以你会发现每条指令间隔4个字节。如果是 64 位 CPU 执⾏的，⼀条指令是占 64 位⼤⼩，你会发现每条指令间隔8个字节。
  ⽽数据的⼤⼩是根据你在程序中指定的变量类型，⽐如 int 类型的数据则占 4 个字节， char 类型的数据则占 1 个字节。