來(lái)源 | 小林coding

作者 | 小林coding

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代碼寫了那么多，你知道 a = 1 + 2 這條代碼是怎么被 CPU 執(zhí)行的嗎？

軟件用了那么多，你知道軟件的 32 位和 64 位之間的區(qū)別嗎？再來(lái) 32 位的操作系統(tǒng)可以運(yùn)行在 64 位的電腦上嗎？64 位的操作系統(tǒng)可以運(yùn)行在 32 位的電腦上嗎？如果不行，原因是什么？

CPU 看了那么多，我們都知道 CPU 通常分為 32 位和 64 位，你知道 64 位相比 32 位 CPU 的優(yōu)勢(shì)在哪嗎？64 位 CPU 的計(jì)算性能一定比 32 位 CPU 高很多嗎？

不知道也不用慌張，接下來(lái)就循序漸進(jìn)、一層一層地攻破這些問(wèn)題。

圖靈機(jī)的工作方式

要想知道程序執(zhí)行的原理，我們可以先從「圖靈機(jī)」說(shuō)起，圖靈的基本思想是用機(jī)器來(lái)模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程，而且還定義了計(jì)算機(jī)由哪些部分組成，程序又是如何執(zhí)行的。

圖靈機(jī)長(zhǎng)什么樣子呢？你從下圖可以看到圖靈機(jī)的實(shí)際樣子：

圖來(lái)源自：http://www.kristergustafsson.me/turing-machine/

圖靈機(jī)的基本組成如下：

• 有一條「紙帶」，紙帶由一個(gè)個(gè)連續(xù)的格子組成，每個(gè)格子可以寫入字符，紙帶就好比內(nèi)存，而紙帶上的格子的字符就好比內(nèi)存中的數(shù)據(jù)或程序；

• 有一個(gè)「讀寫頭」，讀寫頭可以讀取紙帶上任意格子的字符，也可以把字符寫入到紙帶的格子；

• 讀寫頭上有一些部件，比如存儲(chǔ)單元、控制單元以及運(yùn)算單元：
  1、存儲(chǔ)單元用于存放數(shù)據(jù)；
  2、控制單元用于識(shí)別字符是數(shù)據(jù)還是指令，以及控制程序的流程等；
  3、運(yùn)算單元用于執(zhí)行運(yùn)算指令；

知道了圖靈機(jī)的組成后，我們以簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)運(yùn)算的 1 + 2 作為例子，來(lái)看看它是怎么執(zhí)行這行代碼的。

• 首先，用讀寫頭把 「1、2、+」這 3 個(gè)字符分別寫入到紙帶上的 3 個(gè)格子，然后讀寫頭先停在 1 字符對(duì)應(yīng)的格子上；

• 接著，讀寫頭讀入 1 到存儲(chǔ)設(shè)備中，這個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備稱為圖靈機(jī)的狀態(tài)；

• 然后讀寫頭向右移動(dòng)一個(gè)格，用同樣的方式把 2 讀入到圖靈機(jī)的狀態(tài)，于是現(xiàn)在圖靈機(jī)的狀態(tài)中存儲(chǔ)著兩個(gè)連續(xù)的數(shù)字， 1 和 2；

• 讀寫頭再往右移動(dòng)一個(gè)格，就會(huì)碰到 + 號(hào)，讀寫頭讀到 + 號(hào)后，將 + 號(hào)傳輸給「控制單元」，控制單元發(fā)現(xiàn)是一個(gè) + 號(hào)而不是數(shù)字，所以沒有存入到狀態(tài)中，因?yàn)?+ 號(hào)是運(yùn)算符指令，作用是加和目前的狀態(tài)，于是通知「運(yùn)算單元」工作。運(yùn)算單元收到要加和狀態(tài)中的值的通知后，就會(huì)把狀態(tài)中的 1 和 2 讀入并計(jì)算，再將計(jì)算的結(jié)果 3 存放到狀態(tài)中；

• 最后，運(yùn)算單元將結(jié)果返回給控制單元，控制單元將結(jié)果傳輸給讀寫頭，讀寫頭向右移動(dòng)，把結(jié)果 3 寫入到紙帶的格子中；

通過(guò)上面的圖靈機(jī)計(jì)算 1 + 2 ?的過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)圖靈機(jī)主要功能就是讀取紙帶格子中的內(nèi)容，然后交給控制單元識(shí)別字符是數(shù)字還是運(yùn)算符指令，如果是數(shù)字則存入到圖靈機(jī)狀態(tài)中，如果是運(yùn)算符，則通知運(yùn)算符單元讀取狀態(tài)中的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果最終返回給讀寫頭，讀寫頭把結(jié)果寫入到紙帶的格子中。

事實(shí)上，圖靈機(jī)這個(gè)看起來(lái)很簡(jiǎn)單的工作方式，和我們今天的計(jì)算機(jī)是基本一樣的。接下來(lái)，我們一同再看看當(dāng)今計(jì)算機(jī)的組成以及工作方式。

馮諾依曼模型

在 1945 年馮諾依曼和其他計(jì)算機(jī)科學(xué)家們提出了計(jì)算機(jī)具體實(shí)現(xiàn)的報(bào)告，其遵循了圖靈機(jī)的設(shè)計(jì)，而且還提出用電子元件構(gòu)造計(jì)算機(jī)，并約定了用二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，還定義計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)為 5 個(gè)部分，分別是中央處理器（CPU）、內(nèi)存、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、總線。

這 5 個(gè)部分也被稱為馮諾依曼模型，接下來(lái)看看這 5 個(gè)部分的具體作用。

? 內(nèi)存

我們的程序和數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在內(nèi)存，存儲(chǔ)的區(qū)域是線性的。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的單位是一個(gè)二進(jìn)制位（bit），即 0 或 1。最小的存儲(chǔ)單位是字節(jié)（byte），1 字節(jié)等于 8 位。

內(nèi)存的地址是從 0 開始編號(hào)的，然后自增排列，最后一個(gè)地址為內(nèi)存總字節(jié)數(shù) - 1，這種結(jié)構(gòu)好似我們程序里的數(shù)組，所以內(nèi)存的讀寫任何一個(gè)數(shù)據(jù)的速度都是一樣的。

??中央處理器

中央處理器也就是我們常說(shuō)的 CPU，32 位和 64 位 CPU 最主要區(qū)別在于一次能計(jì)算多少字節(jié)數(shù)據(jù)：

• 32 位 CPU 一次可以計(jì)算 4 個(gè)字節(jié)；

• 64 位 CPU 一次可以計(jì)算 8 個(gè)字節(jié)；

這里的 32 位和 64 位，通常稱為 CPU 的位寬。

之所以 CPU 要這樣設(shè)計(jì)，是為了能計(jì)算更大的數(shù)值，如果是 8 位的 CPU，那么一次只能計(jì)算 1 個(gè)字節(jié) 0~255 范圍內(nèi)的數(shù)值，這樣就無(wú)法一次完成計(jì)算 10000 * 500 ，于是為了能一次計(jì)算大數(shù)的運(yùn)算，CPU 需要支持多個(gè) byte 一起計(jì)算，所以 CPU 位寬越大，可以計(jì)算的數(shù)值就越大，比如說(shuō) 32 位 CPU 能計(jì)算的最大整數(shù)是 4294967295。

CPU 內(nèi)部還有一些組件，常見的有寄存器、控制單元和邏輯運(yùn)算單元等。其中，控制單元負(fù)責(zé)控制 CPU 工作，邏輯運(yùn)算單元負(fù)責(zé)計(jì)算，而寄存器可以分為多種類，每種寄存器的功能又不盡相同。

CPU 中的寄存器主要作用是存儲(chǔ)計(jì)算時(shí)的數(shù)據(jù)，你可能好奇為什么有了內(nèi)存還需要寄存器？原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)閮?nèi)存離 CPU 太遠(yuǎn)了，而寄存器就在 CPU 里，還緊挨著控制單元和邏輯運(yùn)算單元，自然計(jì)算時(shí)速度會(huì)很快。

常見的寄存器種類：

• 通用寄存器，用來(lái)存放需要進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)，比如需要進(jìn)行加和運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)據(jù)。

• 程序計(jì)數(shù)器，用來(lái)存儲(chǔ) CPU 要執(zhí)行下一條指令「所在的內(nèi)存地址」，注意不是存儲(chǔ)了下一條要執(zhí)行的指令，此時(shí)指令還在內(nèi)存中，程序計(jì)數(shù)器只是存儲(chǔ)了下一條指令的地址。

• 指令寄存器，用來(lái)存放程序計(jì)數(shù)器指向的指令，也就是指令本身，指令被執(zhí)行完成之前，指令都存儲(chǔ)在這里。

? 總線

總線是用于 CPU 和內(nèi)存以及其他設(shè)備之間的通信，總線可分為 3 種：

• 地址總線，用于指定 CPU 將要操作的內(nèi)存地址；

• 數(shù)據(jù)總線，用于讀寫內(nèi)存的數(shù)據(jù)；

• 控制總線，用于發(fā)送和接收信號(hào)，比如中斷、設(shè)備復(fù)位等信號(hào)，CPU 收到信號(hào)后自然進(jìn)行響應(yīng)，這時(shí)也需要控制總線；

當(dāng) CPU 要讀寫內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)候，一般需要通過(guò)兩個(gè)總線：

• 首先要通過(guò)「地址總線」來(lái)指定內(nèi)存的地址；

• 再通過(guò)「數(shù)據(jù)總線」來(lái)傳輸數(shù)據(jù)；

??輸入、輸出設(shè)備

輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算后，把數(shù)據(jù)輸出給輸出設(shè)備。期間，如果輸入設(shè)備是鍵盤，按下按鍵時(shí)是需要和 CPU 進(jìn)行交互的，這時(shí)就需要用到控制總線了。

線路位寬與 CPU 位寬

數(shù)據(jù)是如何通過(guò)線路傳輸?shù)哪?#xff1f;其實(shí)是通過(guò)操作電壓，低電壓表示 0，高壓電壓則表示 1。

如果構(gòu)造了高低高這樣的信號(hào)，其實(shí)就是 101 二進(jìn)制數(shù)據(jù)，十進(jìn)制則表示 5，如果只有一條線路，就意味著每次只能傳遞 1 bit 的數(shù)據(jù)，即 0 或 1，那么傳輸 101 這個(gè)數(shù)據(jù)，就需要 3 次才能傳輸完成，這樣的效率非常低。

這樣一位一位傳輸?shù)姆绞?#xff0c;稱為串行，下一個(gè) bit 必須等待上一個(gè) bit 傳輸完成才能進(jìn)行傳輸。當(dāng)然，想一次多傳一些數(shù)據(jù)，增加線路即可，這時(shí)數(shù)據(jù)就可以并行傳輸。

為了避免低效率的串行傳輸?shù)姆绞?#xff0c;線路的位寬最好一次就能訪問(wèn)到所有的內(nèi)存地址。CPU 要想操作的內(nèi)存地址就需要地址總線，如果地址總線只有 1 條，那每次只能表示 「0 或 1」這兩種情況，所以 CPU 一次只能操作 2 個(gè)內(nèi)存地址，如果想要 CPU 操作 4G 的內(nèi)存，那么就需要 32 條地址總線，因?yàn)?2 ^ 32 = 4G。

知道了線路位寬的意義后，我們?cè)賮?lái)看看 CPU 位寬。

CPU 的位寬最好不要小于線路位寬，比如 32 位 CPU 控制 40 位寬的地址總線和數(shù)據(jù)總線的話，工作起來(lái)就會(huì)非常復(fù)雜且麻煩，所以 32 位的 CPU 最好和 32 位寬的線路搭配，因?yàn)?32 位 CPU 一次最多只能操作 32 位寬的地址總線和數(shù)據(jù)總線。

如果用 32 位 CPU 去加和兩個(gè) 64 位大小的數(shù)字，就需要把這 2 個(gè) 64 位的數(shù)字分成 2 個(gè)低位 32 位數(shù)字和 2 個(gè)高位 32 位數(shù)字來(lái)計(jì)算，先加個(gè)兩個(gè)低位的 32 位數(shù)字，算出進(jìn)位，然后加和兩個(gè)高位的 32 位數(shù)字，最后再加上進(jìn)位，就能算出結(jié)果了，可以發(fā)現(xiàn) 32 位 CPU 并不能一次性計(jì)算出加和兩個(gè) 64 位數(shù)字的結(jié)果。

對(duì)于 64 位 CPU 就可以一次性算出加和兩個(gè) 64 位數(shù)字的結(jié)果，因?yàn)?64 位 CPU 可以一次讀入 64 位的數(shù)字，并且 64 位 CPU 內(nèi)部的邏輯運(yùn)算單元也支持 64 位數(shù)字的計(jì)算。

但是并不代表 64 位 CPU 性能比 32 位 CPU 高很多，很少應(yīng)用需要算超過(guò) 32 位的數(shù)字，所以如果計(jì)算的數(shù)額不超過(guò) 32 位數(shù)字的情況下，32 位和 64 位 CPU 之間沒什么區(qū)別的，只有當(dāng)計(jì)算超過(guò) 32 位數(shù)字的情況下，64 位的優(yōu)勢(shì)才能體現(xiàn)出來(lái)。

另外，32 位 CPU 最大只能操作 4GB 內(nèi)存，就算你裝了 8 GB 內(nèi)存條，也沒用。而 64 位 CPU 尋址范圍則很大，理論最大的尋址空間為 2^64。

程序執(zhí)行的基本過(guò)程

在前面，我們知道了程序在圖靈機(jī)的執(zhí)行過(guò)程，接下來(lái)我們來(lái)看看程序在馮諾依曼模型上是怎么執(zhí)行的。

程序?qū)嶋H上是一條一條指令，所以程序的運(yùn)行過(guò)程就是把每一條指令一步一步的執(zhí)行起來(lái)，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令的就是 CPU 了。

那 CPU 執(zhí)行程序的過(guò)程如下：

• 第一步，CPU 讀取「程序計(jì)數(shù)器」的值，這個(gè)值是指令的內(nèi)存地址，然后 CPU 的「控制單元」操作「地址總線」指定需要訪問(wèn)的內(nèi)存地址，接著通知內(nèi)存設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后通過(guò)「數(shù)據(jù)總線」將指令數(shù)據(jù)傳給 CPU，CPU 收到內(nèi)存?zhèn)鱽?lái)的數(shù)據(jù)后，將這個(gè)指令數(shù)據(jù)存入到「指令寄存器」。

• 第二步，CPU 分析「指令寄存器」中的指令，確定指令的類型和參數(shù)，如果是計(jì)算類型的指令，就把指令交給「邏輯運(yùn)算單元」運(yùn)算；如果是存儲(chǔ)類型的指令，則交由「控制單元」執(zhí)行；

• 第三步，CPU 執(zhí)行完指令后，「程序計(jì)數(shù)器」的值自增，表示指向下一條指令。這個(gè)自增的大小，由 CPU 的位寬決定，比如 32 位的 CPU，指令是 4 個(gè)字節(jié)，需要 4 個(gè)內(nèi)存地址存放，因此「程序計(jì)數(shù)器」的值會(huì)自增 4；

簡(jiǎn)單總結(jié)一下就是，一個(gè)程序執(zhí)行的時(shí)候，CPU 會(huì)根據(jù)程序計(jì)數(shù)器里的內(nèi)存地址，從內(nèi)存里面把需要執(zhí)行的指令讀取到指令寄存器里面執(zhí)行，然后根據(jù)指令長(zhǎng)度自增，開始順序讀取下一條指令。

CPU 從程序計(jì)數(shù)器讀取指令、到執(zhí)行、再到下一條指令，這個(gè)過(guò)程會(huì)不斷循環(huán)，直到程序執(zhí)行結(jié)束，這個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程被稱為 CPU 的指令周期。

a = 1 + 2 執(zhí)行具體過(guò)程

知道了基本的程序執(zhí)行過(guò)程后，接下來(lái)用 a = 1 + 2 的作為例子，進(jìn)一步分析該程序在馮諾伊曼模型的執(zhí)行過(guò)程。

CPU 是不認(rèn)識(shí) a = 1 + 2 這個(gè)字符串，這些字符串只是方便我們程序員認(rèn)識(shí)，要想這段程序能跑起來(lái)，還需要把整個(gè)程序翻譯成匯編語(yǔ)言的程序，這個(gè)過(guò)程稱為編譯成匯編代碼。

針對(duì)匯編代碼，我們還需要用匯編器翻譯成機(jī)器碼，這些機(jī)器碼由 0 和 1 組成的機(jī)器語(yǔ)言，這一條條機(jī)器碼，就是一條條的計(jì)算機(jī)指令，這個(gè)才是 CPU 能夠真正認(rèn)識(shí)的東西。

下面來(lái)看看 ?a = 1 + 2 在 32 位 CPU 的執(zhí)行過(guò)程。

程序編譯過(guò)程中，編譯器通過(guò)分析代碼，發(fā)現(xiàn) 1 和 2 是數(shù)據(jù)，于是程序運(yùn)行時(shí)，內(nèi)存會(huì)有個(gè)專門的區(qū)域來(lái)存放這些數(shù)據(jù)，這個(gè)區(qū)域就是「數(shù)據(jù)段」。如下圖，數(shù)據(jù) 1 和 2 的區(qū)域位置：

• 數(shù)據(jù) 1 被存放到 0x100 位置；

• 數(shù)據(jù) 2 被存放到 0x104 位置；

注意，數(shù)據(jù)和指令是分開區(qū)域存放的，存放指令區(qū)域的地方稱為「正文段」。

編譯器會(huì)把 a = 1 + 2 翻譯成 4 條指令，存放到正文段中。如圖，這 4 條指令被存放到了 0x200 ~ 0x20c 的區(qū)域中：

• 0x200 的內(nèi)容是 load 指令將 0x100 地址中的數(shù)據(jù) 1 裝入到寄存器 R0；

• 0x204 的內(nèi)容是 load 指令將 0x104 地址中的數(shù)據(jù) 2 裝入到寄存器 R1；

• 0x208 的內(nèi)容是 add 指令將寄存器 R0 和 R1 的數(shù)據(jù)相加，并把結(jié)果存放到寄存器 R2；

• 0x20c 的內(nèi)容是 store 指令將寄存器 R2 中的數(shù)據(jù)存回?cái)?shù)據(jù)段中的 0x108 地址中，這個(gè)地址也就是變量 a 內(nèi)存中的地址；

編譯完成后，具體執(zhí)行程序的時(shí)候，程序計(jì)數(shù)器會(huì)被設(shè)置為 0x200 地址，然后依次執(zhí)行這 4 條指令。

上面的例子中，由于是在 32 位 CPU 執(zhí)行的，因此一條指令是占 32 位大小，所以你會(huì)發(fā)現(xiàn)每條指令間隔 4 個(gè)字節(jié)。

而數(shù)據(jù)的大小是根據(jù)你在程序中指定的變量類型，比如 int 類型的數(shù)據(jù)則占 4 個(gè)字節(jié)，char 類型的數(shù)據(jù)則占 1 個(gè)字節(jié)。

? 指令

上面的例子中，圖中指令的內(nèi)容我寫的是簡(jiǎn)易的匯編代碼，目的是為了方便理解指令的具體內(nèi)容，事實(shí)上指令的內(nèi)容是一串二進(jìn)制數(shù)字的機(jī)器碼，每條指令都有對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼，CPU 通過(guò)解析機(jī)器碼來(lái)知道指令的內(nèi)容。

不同的 CPU 有不同的指令集，也就是對(duì)應(yīng)著不同的匯編語(yǔ)言和不同的機(jī)器碼，接下來(lái)選用最簡(jiǎn)單的 MIPS 指集，來(lái)看看機(jī)器碼是如何生成的，這樣也能明白二進(jìn)制的機(jī)器碼的具體含義。

MIPS 的指令是一個(gè) 32 位的整數(shù)，高 6 位代表著操作碼，表示這條指令是一條什么樣的指令，剩下的 26 位不同指令類型所表示的內(nèi)容也就不相同，主要有三種類型R、I 和 J。

一起具體看看這三種類型的含義：

• R 指令，用在算術(shù)和邏輯操作，里面由讀取和寫入數(shù)據(jù)的寄存器地址。如果是邏輯位移操作，后面還有位移操作的「位移量」，而最后的「功能碼」則是再前面的操作碼不夠的時(shí)候，擴(kuò)展操作碼來(lái)表示對(duì)應(yīng)的具體指令的；

• I 指令，用在數(shù)據(jù)傳輸、條件分支等。這個(gè)類型的指令，就沒有了位移量和操作碼，也沒有了第三個(gè)寄存器，而是把這三部分直接合并成了一個(gè)地址值或一個(gè)常數(shù)；

• J 指令，用在跳轉(zhuǎn)，高 6 位之外的 26 位都是一個(gè)跳轉(zhuǎn)后的地址；

接下來(lái)，我們把前面例子的這條指令：「add 指令將寄存器 R0 和 R1 的數(shù)據(jù)相加，并把結(jié)果放入到 R3」，翻譯成機(jī)器碼。

加和運(yùn)算 add 指令是屬于 R 指令類型：

• add 對(duì)應(yīng)的 MIPS 指令里操作碼是 000000，以及最末尾的功能碼是 100000，這些數(shù)值都是固定的，查一下 MIPS 指令集的手冊(cè)就能知道的；

• rs 代表第一個(gè)寄存器 R0 的編號(hào)，即 00000；

• rt 代表第二個(gè)寄存器 R1 的編號(hào)，即 00001；

• rd 代表目標(biāo)的臨時(shí)寄存器 R2 的編號(hào)，即 00010；

• 因?yàn)椴皇俏灰撇僮?#xff0c;所以位移量是 00000

把上面這些數(shù)字拼在一起就是一條 32 位的 MIPS 加法指令了，那么用 16 進(jìn)制表示的機(jī)器碼則是 0x00011020。

編譯器在編譯程序的時(shí)候，會(huì)構(gòu)造指令，這個(gè)過(guò)程叫做指令的編碼。CPU 執(zhí)行程序的時(shí)候，就會(huì)解析指令，這個(gè)過(guò)程叫作指令的解碼。

現(xiàn)代大多數(shù) CPU 都使用來(lái)流水線的方式來(lái)執(zhí)行指令，所謂的流水線就是把一個(gè)任務(wù)拆分成多個(gè)小任務(wù)，于是一條指令通常分為 4 個(gè)階段，稱為 4 級(jí)流水線，如下圖：

四個(gè)階段的具體含義：

CPU 通過(guò)程序計(jì)數(shù)器讀取對(duì)應(yīng)內(nèi)存地址的指令，這個(gè)部分稱為 Fetch（取得指令）；

CPU 對(duì)指令進(jìn)行解碼，這個(gè)部分稱為 Decode（指令譯碼）；

CPU 執(zhí)行指令，這個(gè)部分稱為 Execution（執(zhí)行指令）；

CPU 將計(jì)算結(jié)果存回寄存器或者將寄存器的值存入內(nèi)存，這個(gè)部分稱為 Store（數(shù)據(jù)回寫）；

上面這 4 個(gè)階段，我們稱為指令周期（Instrution Cycle），CPU 的工作就是一個(gè)周期接著一個(gè)周期，周而復(fù)始。

事實(shí)上，不同的階段其實(shí)是由計(jì)算機(jī)中的不同組件完成的：

• 取指令的階段，我們的指令是存放在存儲(chǔ)器里的，實(shí)際上，通過(guò)程序計(jì)數(shù)器和指令寄存器取出指令的過(guò)程，是由控制器操作的；

• 指令的譯碼過(guò)程，也是由控制器進(jìn)行的；

• 指令執(zhí)行的過(guò)程，無(wú)論是進(jìn)行算術(shù)操作、邏輯操作，還是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、條件分支操作，都是由算術(shù)邏輯單元操作的，也就是由運(yùn)算器處理的。但是如果是一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)條件地址跳轉(zhuǎn)，則是直接在控制器里面完成的，不需要用到運(yùn)算器。

? 指令的類型

指令從功能角度劃分，可以分為 5 大類：

• 數(shù)據(jù)傳輸類型的指令，比如 store/load 是寄存器與內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噶?#xff0c;mov 是將一個(gè)內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)移動(dòng)到另一個(gè)內(nèi)存地址的指令；

• 運(yùn)算類型的指令，比如加減乘除、位運(yùn)算、比較大小等等，它們最多只能處理兩個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)；

• 跳轉(zhuǎn)類型的指令，通過(guò)修改程序計(jì)數(shù)器的值來(lái)達(dá)到跳轉(zhuǎn)執(zhí)行指令的過(guò)程，比如編程中常見的 if-else、swtich-case、函數(shù)調(diào)用等。

• 信號(hào)類型的指令，比如發(fā)生中斷的指令 trap；

• 閑置類型的指令，比如指令 nop，執(zhí)行后 CPU 會(huì)空轉(zhuǎn)一個(gè)周期；

? 指令的執(zhí)行速度

CPU 的硬件參數(shù)都會(huì)有 GHz 這個(gè)參數(shù)，比如一個(gè) 1 GHz 的 CPU，指的是時(shí)鐘頻率是 1 G，代表著 1 秒會(huì)產(chǎn)生 1G 次數(shù)的脈沖信號(hào)，每一次脈沖信號(hào)高低電平的轉(zhuǎn)換就是一個(gè)周期，稱為時(shí)鐘周期。

對(duì)于 CPU 來(lái)說(shuō)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU 僅能完成一個(gè)最基本的動(dòng)作，時(shí)鐘頻率越高，時(shí)鐘周期就越短，工作速度也就越快。

一個(gè)時(shí)鐘周期一定能執(zhí)行完一條指令嗎？答案是不一定的，大多數(shù)指令不能在一個(gè)時(shí)鐘周期完成，通常需要若干個(gè)時(shí)鐘周期。不同的指令需要的時(shí)鐘周期是不同的，加法和乘法都對(duì)應(yīng)著一條 CPU 指令，但是乘法需要的時(shí)鐘周期就要比加法多。

如何讓程序跑的更快？

程序執(zhí)行的時(shí)候，耗費(fèi)的 CPU 時(shí)間少就說(shuō)明程序是快的，對(duì)于程序的 CPU 執(zhí)行時(shí)間，我們可以拆解成CPU 時(shí)鐘周期數(shù)（CPU Cycles）和時(shí)鐘周期時(shí)間（Clock Cycle Time）的乘積。

時(shí)鐘周期時(shí)間就是我們前面提及的 CPU 主頻，主頻越高說(shuō)明 CPU 的工作速度就越快，比如我手頭上的電腦的 CPU 是 2.4 GHz 四核 Intel Core i5，這里的 2.4 GHz 就是電腦的主頻，時(shí)鐘周期時(shí)間就是 1/2.4G。

要想 CPU 跑的更快，自然縮短時(shí)鐘周期時(shí)間，也就是提升 CPU 主頻，但是今非彼日，摩爾定律早已失效，當(dāng)今的 CPU 主頻已經(jīng)很難再做到翻倍的效果了。

另外，換一個(gè)更好的 CPU，這個(gè)也是我們軟件工程師控制不了的事情，我們應(yīng)該把目光放到另外一個(gè)乘法因子 —— CPU 時(shí)鐘周期數(shù)，如果能減少程序所需的 CPU 時(shí)鐘周期數(shù)量，一樣也是能提升程序的性能的。

對(duì)于 CPU 時(shí)鐘周期數(shù)我們可以進(jìn)一步拆解成：「指令數(shù) x 每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù)（Cycles Per Instruction，簡(jiǎn)稱 CPI）」，于是程序的 CPU 執(zhí)行時(shí)間的公式可變成如下：

因此，要想程序跑的更快，優(yōu)化這三者即可：

• 指令數(shù)，表示執(zhí)行程序所需要多少條指令，以及哪些指令。這個(gè)層面是基本靠編譯器來(lái)優(yōu)化，畢竟同樣的代碼，在不同的編譯器，編譯出來(lái)的計(jì)算機(jī)指令會(huì)有各種不同的表示方式。

• 每條指令的平均時(shí)鐘周期數(shù) CPI，表示一條指令需要多少個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，現(xiàn)代大多數(shù) CPU 通過(guò)流水線技術(shù)（Pipline），讓一條指令需要的 CPU 時(shí)鐘周期數(shù)盡可能的少；

• 時(shí)鐘周期時(shí)間，表示計(jì)算機(jī)主頻，取決于計(jì)算機(jī)硬件。有的 CPU 支持超頻技術(shù)，打開了超頻意味著把 CPU 內(nèi)部的時(shí)鐘給調(diào)快了，于是 CPU 工作速度就變快了，但是也是有代價(jià)的，CPU 跑的越快，散熱的壓力就會(huì)越大，CPU 會(huì)很容易奔潰。

很多廠商為了跑分而跑分，基本都是在這三個(gè)方面入手的哦，特別是超頻這一塊。

總結(jié)

最后我們?cè)賮?lái)回答開頭的問(wèn)題。

64 位相比 32 位 CPU 的優(yōu)勢(shì)在哪嗎？64 位 CPU 的計(jì)算性能一定比 32 位 CPU 高很多嗎？

64 位相比 32 位 CPU 的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

• 64 位 CPU 可以一次計(jì)算超過(guò) 32 位的數(shù)字，而 32 位 CPU 如果要計(jì)算超過(guò) 32 位的數(shù)字，要分多步驟進(jìn)行計(jì)算，效率就沒那么高，但是大部分應(yīng)用程序很少會(huì)計(jì)算那么大的數(shù)字，所以只有運(yùn)算大數(shù)字的時(shí)候，64 位 CPU 的優(yōu)勢(shì)才能體現(xiàn)出來(lái)，否則和 32 位 CPU 的計(jì)算性能相差不大。

• 64 位 CPU 可以尋址更大的內(nèi)存空間，32 位 CPU 最大的尋址地址是 4G，即使你加了 8G 大小的內(nèi)存，也還是只能尋址到 4G，而 64 位 CPU 最大尋址地址是 2^64，遠(yuǎn)超于 32 位 CPU 最大尋址地址的 2^32。

你知道軟件的 32 位和 64 位之間的區(qū)別嗎？再來(lái) 32 位的操作系統(tǒng)可以運(yùn)行在 64 位的電腦上嗎？64 位的操作系統(tǒng)可以運(yùn)行在 32 位的電腦上嗎？如果不行，原因是什么？

64 位和 32 位軟件，實(shí)際上代表指令是 64 位還是 32 位的：

• 如果 32 位指令在 64 位機(jī)器上執(zhí)行，需要一套兼容機(jī)制，就可以做到兼容運(yùn)行了。但是如果 64 位指令在 32 位機(jī)器上執(zhí)行，就比較困難了，因?yàn)?32 位的寄存器存不下 64 位的指令；

• 操作系統(tǒng)其實(shí)也是一種程序，我們也會(huì)看到操作系統(tǒng)會(huì)分成 32 位操作系統(tǒng)、64 位操作系統(tǒng)，其代表意義就是操作系統(tǒng)中程序的指令是多少位，比如 64 位操作系統(tǒng)，指令也就是 64 位，因此不能裝在 32 位機(jī)器上。

總之，硬件的 64 位和 32 位指的是 CPU 的位寬，軟件的 64 位和 32 位指的是指令的位寬。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的灵魂拷问：a = 1 + 2 究竟是怎么被 CPU 执行的的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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