前言

代碼寫(xiě)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)的、一層一層的攻破這些問(wèn)題。

正文

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(xiě)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(xiě)頭」，讀寫(xiě)頭可以讀取紙帶上任意格子的字符，也可以把字符寫(xiě)入到紙帶的格子；

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

接著，讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)頭再往右移動(dòng)一個(gè)格，就會(huì)碰到 + 號(hào)，讀寫(xiě)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(méi)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(xiě)頭，讀寫(xiě)頭向右移動(dòng)，把結(jié)果 3 寫(xiě)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(xiě)頭，讀寫(xiě)頭把結(jié)果寫(xiě)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(kāi)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(xiě)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(jiàn)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(jiàn)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(xiě)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(xiě)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(pán)，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)哪兀科鋵?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)姆绞剑Q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)姆绞剑€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)? ^ 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(méi)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(méi)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(bǔ) = 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(xiě)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(xiě)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(méi)有了位移量和操作碼，也沒(méi)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)椴皇俏灰撇僮鳎晕灰屏渴?0000

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(xiě)）；

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)闹噶睿琺ov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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(méi)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。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：CPU 執(zhí)行程序的秘密，藏在了這 15 張圖里

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