（学习笔记-硬件结构）CPU如何执行程序？

冯诺依曼模型

冯诺依曼模型主要由五部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

控制器（Control Unit）：从内存中取指令、翻译指令、分析指令，然后根据指令的内存向有关部件发送控制命令，控制相关部件执行指令所包含的操作。

运算器（ALU）：处理数据，完成各种算术运算和逻辑运算。

计算机运算时，运算器的操作对象和操作种类由控制器决定。运算器操作的数据从内存中读取，处理的结果再写入内存（或暂时放在内部寄存器中），而且运算器对内存数据的读写是由控制器来进行的。

存储器（Memory）:存储程序和各种数据。

内部存储器（内存、主存）：存取速度快，容量小价格高。用来存放即将执行的程序和数据，可供CPU直接读取。
- 随机存储器（RAM）：可以被CPU随机读取（读取任何一个地址数据的速度是一样的，写入任何一个地址数据的速度也是一样的），一般存放CPU将要执行的程序、数据，断电丢失。
- 只读存储器（ROM）：只能被CPU读，不能轻易被CPU写，用来存储永久性的程序和数据，比如：系统引导程序、监控程序等。掉电易失。
- 高速缓存存储器（cache）：Cache是计算机中的一个高速小容量存储器，其中存放的是CPU近期要执行的指令和数据，其存取速度可以和CPU的速度匹配，一般采用静态RAM充当Cache。
外部存储器：存取速度慢。用来存放暂时不用的程序和数据，可以和内存交换数据，不需要依赖电来存储数据。如硬盘、光盘...

输入设备与输出设备：鼠标、键盘、显示器、打印机等

存储单元与输入输出设备要和中央处理器打交道的话离不开总线。所以他们的关系如下：

内存

我们的程序和数据都存储在内存，存储的区域是线性的。

在计算机数据存储中，存储数据的基本单位是字节（byte）, 1字节 = 8 位(bit)。每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，然后自增排序，最后一个地址为内存总字节数-1，这种结构与程序中的数组类似，所以内存中读写任何一个数据的速度都是相同的。

中央处理器

中央处理器也就是CPU，32位和64位CPU的主要区别在于一次性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，代表的是CPU一次可以计算(运算)的数据量。

之所以CPU要这样设计，是为了能计算更大的数值，如果是8位CPU那么一次只能计算一个字节- 0~255范围内的数值，这样就无法完成1000*500的计算，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，可以计算的数值就越大，比如32位CPU能计算的最大整数是4294967295。

CPU内部还有一些组件，常见的有寄存器、控制单元和逻辑运算单元。其中，控制单元负责控制CPU的工作，逻辑运算单元负责计算，而寄存器可以分为多种类型，每种寄存器的功能不尽相同。

为什么有了内存还需要寄存器？

因为内存离CPU太远了，而寄存器就在CPU内，紧挨着控制单元和逻辑运算单元，速度会更快。

常见寄存器种类：

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
程序计数器，用来存储CPU要执行的下一条指令[所在的内存地址]，注意不是存储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，指令被执行完之前都存储在这里。

总线

总线是用于CPU和内存以及其他设备之间的同学，总线分为三种：

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

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]来指定内存的地址
然后通过[控制总线]控制是读或写的命令
最后通过[数据总线]来传输数据

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，高电压表示1.

如果构造了高低高这样的电压，其实就是 101 二进制，十进制表示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，这样效率非常低。

这样一位一位传输的方式，称为串行，下一个bit必须等待上一个bit传输完成才能进行传输。想一次传多一些数据，增加线路即可，这时数据就可以并行传输。

为了避免低效率的串行传输方式，线路的位宽最好一次能够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为 2 个。（不能理解为同时操作两个内存地址）
如果地址总线有2条，那么能表示00、01、10、11四种地址，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的内存，就需要 32条地址总线。 ${2}^{32} = 4 * {2}^{10}*{2}^{10}*{2}^{10} = 4 G$

CPU的位宽最好不要小于线路的位宽，比如32位CPU控制40位宽的地址总线和数据总线的话，工作起来会非常麻烦，所以32位的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·，就需要把这两个64位的数字分成2个低位32位数字和2个高位32位数字来计算，先加两个低位的32位数字，算出进位，然后加和两个高位的32位数字，最后再加上进位就能算出结果了，可以发现32位CPU并不能一次性算出加和两个64位的数字的结果。

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可以一次读入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。

但是并不代表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，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，就算装了8GB的内存条，也没用。而64位CPU寻址范围则很大，理论最大寻址空间为 ${2}^{64}$ .

程序执行的基本过程

程序实际上是一条一条的指令，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。

CPU执行程序的过程如下：

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]。
[程序计数器]的值自增，表示指向下一个指令[地址]。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]的值会加4。
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。

总结：一个程序执行的时候，CPU会根据程序计数器的内存地址，从内存里面把需要执行的指令读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，直到程序结束，这个不断循环的过程被称为CPU的指令周期

a = 1 + 2的具体执行过程

CPU是不认识 a = 1 + 2 这个字符串的，这些字符串只是方便我们认识，想要这段程序能跑起来，还需要把整个程序翻译成汇编语言的程序，这个过程被称为编译

除此之外，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认识的东西。

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，内存会有一个专门的区域来存放这些数据，这个区域就是[数据段]。

数据1被存放到0x200位置
数据2被存放到0x204位置

数据和指令是分开存放的，存放数据的区域称为[数据段]，存放指令的区域称为[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0x100~0x10c的区域中：

0x100的内容是 load 指令将0x200地址中的数据 1 装入到寄存器 R0 ；
0x104的内容是 load 指令将0x204地址中的数据 2 装入到寄存器 R1 ；
0x108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 ；
0x10c的内容是 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；

编译完成后，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，因此指令是占32位大小，所以每条指令的地址隔4个字节。数据的大小事根据程序中指定的变量类型，比如 int 类型的数据占4个字节，char类型的数据占1个字节）

总结

64位相比32位优势在哪？ 64位CPU性能一定比32位CPU高很多吗？

64位相比32位CPU的优势主要体现在两个方面：

64位CPU可以一次计算超过32位的数字，而32位CPU如果要计算超过32位的数字，要分多步骤进行计算，效率就没那么高，但是大部分应用程序很少会计算那么大的数字，所以只有运算大数字的时候，64位CPU的优势才能体现出来，否则和32位CPU的计算性能相差不大。
通常来说64位CPU的地址总线是48位，而32位CPU的地址总线是32位，所以64位CPU可以寻址更大的物理内存空间。如果一个32位CPU的地址总线是32位那么该CPU的最大寻址能力是4G，即使使用8G大小的内存，也还是只能寻址到4G大小的地址，而如果一个64位CPU的地址总线是48位，那么该CPU的最大寻址范围是 ${2}^{48}$ ,远超于32位CPU的最大寻址能力。

32位软件和64位软件的区别？32位操作系统能够运行在64位电脑上吗？

64位和32位软件，实际上代表指令是64位还是32位：

如果32位指令在64位机器上执行，需要一套兼容机制就可以做到兼容运行了。但是如果64位指令在32位机器上运行，就比较困难，因为32位寄存器存不下64位的指令。
操作系统其实也是一种程序，操作系统也分为32位和64位，其代表的意思就是操作系统中程序的指令是多少位，64位操作系统指令为64位，不能装在32位的机器上。

硬件的64位和32位指的是CPU的位宽，软件的32位和64位指的是指令的位宽。