硬件结构

CPU是如何执行程序的？

图灵机的工作方式

图灵机的基本思想：用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，还定义了由计算机的那些部分组成，程序又是如何执行的。

图灵机的基本组成如下：

有一条「纸带」，纸带由一个个连续的格子组成，每个格子可以写入字符，纸带就好比内存，，而纸带上的格子的字符就好比内存中的数据或程序；
有一个「读写头」，读写头可以读取纸带上任意格子的字符，也可以把字符写入到纸带的格子；
读写头上有一些部件，比如存储单元、控制单元以及运算单元：1、存储单元用于存放数据；2、控制单元用于识别字符是数据还是指令，以及控制程序的流程等；3、运算单元用于执行运算指令；

以1+2为例：

首先，用读写头把「1、2、+」这3个字符分别写入到纸带上的3个格子，然后读写头先停在1字符对应的格子上；
接着，读写头读入1到存储设备中，这个存储设备成为图灵机的状态；
然后读写头向右移动一个一个格，用同样的方式把2度如刀图灵机的状态，于是现在图灵机的状态存储着两个连续的数字，1和2；
读写头在往右移动一个格，就会碰到+号，读写头读到+号后，将+号传输给控制单元，控制单元发现是一个+号而不是数字，所以没有存入到状态中，因为+号是运算符指令，作用时加和目前的状态，于是通知运算淡云工作。运算单元收到要加和状态中的值的通知后，就会吧状态中的1和2读入并计算，再将计算的结果3存放到状态中；
最后，运算单元将结果返回给控制单元，控制单元将结果输给读写头，读写头向右移动，把结果3写入到纸带的格子中；
通过上面的图灵机计算1+2的过程，可以发现图灵机主要功能就是读取纸带格子中的内容，然后交给控制单元识别字符是数字还是运算指令，如果是数字则存入到图灵机状态中，如果是运算符，则通知运算符单元读取状态中的数值进行计算，计算结果最终返回给读写头，读写头把结果写入到纸带的格子中。

事实上，图灵机这个看起来很简单的工作方式，和我们今天的计算机是基本一样的。接下来，我们一同再看看当今计算机的组成以及工作方式。

冯诺依曼模型

在1945年冯诺依曼和其他计算机科学家们提出了计算机具体实现的报告，其遵循了图灵机的设计，而且还提出用电子元件构造计算机，并约定了用二进制进行计算和存储。

最重要的定义是计算机基本结构分为5个部分，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，这5个部分也被称为冯诺依曼模型。

存储器

控制单元算术逻辑单元

输入输出

运算器、控制器是在中央处理器里的，存储器就是我们常见的内存，输入设备则是计算机外界的设备，比如键盘就是输入设备，显示器就是输出设备。

存储单元和输入输出设备要与中央处理器打交道的话，离不开总线。所以，它们之间关系如图：

寄存器存储单元输入/输出设备

控制单元控制总线

数据总线

逻辑运算单元地址总线

CPU

接下来，分别介绍内存、中央处理器、总线、输入输出设备。

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。

在计算机数据存储中，数据的基本单位视字节BYTE，1字节等于8位/8bit。每一个字节都对应一个内存地址。

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粽子结束-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。

中央处理器

中央处理器也就是我们常见的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一次可以见4字节

64位CPU一次可以计算8字节

这里的32位和64 位，通常称为CPU的位宽。

之所以CPU要这样设计，是为了能计算更大的树枝，如果是8位的CPU，那么一次只能计算1字节0～255范围内的数值，这样就无法一次完成计算10000*500，于是为了能一次计算大数的运算

，CPU需要支持多个BYTE一起计算，所以CPU位宽越大，可以就散的数值就越大，比如说32位CPU能计算的最大整数是4294967295.

CPU 内部还有一些组件，常见的寄存器、控制单元和逻辑运算单元等。其中，控制单元丰泽控制CPU工作，逻辑运算单元负责计算，而寄存器可以分为多个种类，每种寄存器的功能又不尽相同。

CPU的寄存器主要作用是存储计算时的数据，你肯呢好奇为什么有了内存还需要寄存器？原因很简单，因为cpu离内存太远了，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。

常见的寄存器分类：

通用寄存器，用来存放需要进行运算的数据，如需要进行加和运算的两个数据。

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，用来存放当前正在执行的指令，也就是指令本身，指令被执行完成之前，指令都存储在这里。

总线

总线适用于CPU和内存以及其他设备之间的通信，总线可分为三种呢：

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相应，这是也需要控制总线；

当CPU要读写内存数据的时候一般需要通过下面这三个总线：

首先要通过地址总线来制定内存的地址；

然后通过控制总线控制是读或写命令；

最后通过数据总线来传输数据；

输入输出设备

输入设备想计算机输入数据，计算机经过计算后，把数据输出给输出设别。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。

线路位宽与CPU位宽

数据是如何通过线路传输的呢？其实是通过操作电压，低电压表示0，高电压则表示1.

如果构造了高低高这样的信号，其实就是101二进制数据，十进制则表示5，如果只有一条线路，就意味着每次只能传递1bit的数据，即0或1，那么传输101这个数据就需要3次才能传输完成，这样的效率非常低。

这样一位一位传输的方式，成为串行，下一个bit必须等待上一个bit传输完成才能进行传输。当然，想一次多传输一些数据，增加线路即可，这是数据就可以并行传输。

为了避免低效率的串行传输的方式，线路的尾款最好一次就能访问到所有的内存地址。

CPU想要操作内存地址就需要地址总线：

如果地址总线只有1条，那每次只能表示0或1这两种地址，所以CPU能操作的内存地址最大数量位2个，（注意，不要理解成同时能操作2个内存地址）；

如果地址总线右2条，那么能表示00、01、10、11这四种地址，所以cpu能操作的内存地址最大数量为4个。

那么想要CPU操作4G大的内存，那么就需要32条地址总线，因为2^2*2^10*2^10*2^10=2^32=4G。

知道了线路位宽的意义后，我们再来看CPU位宽。

CPU为快最好不要小雨线路位宽，比如32位CPU控制40位宽的地址总线和数据总线的话，工作起来就会非常复杂且麻烦，所以32位CPU最好和32位宽的线路搭配，因为32位CPU一次最多只能操作32位宽的地址总线和数据总线。

如果用32位CPU去加和两个64位大小的数字，就需要把这2个64位的数字分成两个低位32位数字和两位高位32位数字来计算，先加个两个低位的32位数字酸楚仅为，然后加和两位高位的32位数字，然后再加上仅为，就能计算出结果，可以发现32位CPU并不能一次性计算出加和两个64位数字的结果。

对于64位CPU就可以一次性算出加和两个64位数字的结果，因为64位CPU可以一次读如64位的数字，并且64位CPU内部的逻辑运算单元也支持64位数字的计算。但是不代表64位CPU性能比32位CPU高很多，很少应用需要算超过32位的数字，所以如果计算的数额不超过32位数字的情况下，32位和64位CPU之间没什么区别的，只有当计算超过32位数字的情况下，64位的优势才能体现出来。

另外，32位CPU最大只能操作4GB内存，就算你装了8GB内存条，也没用。而64位CPU寻址范围很大，理论最大的寻址空间位2^64即8GB。

程序执行的基本过程

冯诺依曼模型：程序实际上是一条一条指令，所以程序的运行过程就是把每一条指令一步一步的执行起来，负责执行指令的就是CPU了。

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指令寄存器。

第二步，程序计数器的值自增，表示只想下一条指令。这个自增的大小，由CPU的位宽决定，比如32位的额CPU，指令时4字节，需要4个内存地址存放（一个内存地址能存一个字节的数据）因此程序计数器的值会自增4；

第三步，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，就把指令交给运算逻辑单元运算；如果是存储类型的指令，则交由控制单元执行；

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面的内存地址，从内存里面吧需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令。

CPU从程序计数器去读取指令、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称为cpu的指令周期。

a=1+2执行具体过程

CPU不认识a=1+2这个字符串，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能够真正认识的东西。

下面来看看 a = 1 + 2 在 32 位 CPU 的执行过程：

程序编译过程中，编器器通过分析代码，发现1和2都是数据，于是程序运行时，内存会又个专门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被放到0x200位置；

数据 2 被存放到 0x204 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。

0x100:load指令：将0x200地址中的数据1装入到寄存器R0；

0x104:load指令：将0x204地址中的数据2装入到寄存器R1；

0x108:add指令：将寄存器R0和R1的数据想家，并把结果存放到寄存器R2；

0x10c：set指令/store指令：将寄存器R2中的数据存回数据段中的0x208地址中，这个地址也就是变量a内存中的地址。

编一碗好吃呢过后，具体执行程序的时候，程序计数器会被设置为0x100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（因为内存的存储单元是1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字节，char/byte占1字节。

指令

上面的例子中，图中指令的内容我写的是建议的汇编代码，目的是为了方便理解指令的具体内容，事实上指令的内容是遗传二进制数字的机器码，每条指令都有对应的机器码，CPU通过解析机器码老知道指令的内容。

不同的CPU有不同的指令集，也就是对应着不同的汇编语言和不同的机器码，接下来最简单的mips指集，来看看机器码是如何生成的，这样也能明白二进制的机器码的具体含义。

mips的指令是一位32位的整数，高6位代表着操作吗，表示这条指令是一条什么样的指令，剩下的26位不同指令类型锁表示的内容也就不相同，主要有三种类型R和J。

R指令：用在算数和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器地址。如果是逻辑位操作，后面还有唯一操作的位移量，而最后的功能码则是再前面的操作吗不够的时候，扩展操作吗来表示对应的具体指令的；

I指令，用在数据传输、条件分支等。这个类型的指令，就没有了唯一令的功能码，也没有了第三寄存器，而是把这三部分直接合并了一个地址值或一个常数；

J指令，用在跳转，高6位之外的26位都是一个跳转之后的地址；

接下来，我们把前面例子的这条指令：add指令将寄存器R0和R 的数据相加，并把结果放入到R2，翻译成机器码。

加和运算是、add对应的mips指令里操作码是00000，以及最末尾的功能码是10000，这些数值都是固定的，查一下mips指令集的手册就能知道的；

rs代表第一个寄存器R0的编号，即00000；

rt代表第二个寄存器R 1 的编号即00001；

rd代表目标的临时寄存器R2的编号，即00010；

因为不是唯一操作，所以位移量是00000

把上面这些数字拼在一起就是一条32位的mips'假发指令了，那么用16禁止表示的机器码则是0x00011020.编译器在编译程序的时候，会构造指令，这个过程叫做指令的编码。CPU执行程序的时候，就会解析指令，这个过程叫做指令的解码。现代大所属CPU都适用流水线的方式来执行指令，所谓的流水线就是把一个任务拆分成多个小任务，于是一条指令通常分为4个阶段，称为4级流水线，如下图：