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小林coding：CPU 是如何执行程序的？

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冯诺依曼计算机遵循了图灵机的设计,使用了电子元件构造,约定了用二进制进行计算和存储

图灵机基本由纸带和和读写头组成,读写头上有存储单元,控制单元和运算单元

冯诺依曼模型定义了计算机基本结构为5部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

关系大致如图，运算器和控制器在中央处理器中，存储器为内存，输入输出设备则是计算器外接的设备

内存

内存存储数据的基本单位是字节（byte），1字节等于8位（8bit）

程序和数据都存储在内存中，内存的存储区域是线性的，地址从0开始编号，自增排列，所以内存读写任何一个数据的速度基本一致

中央处理器

即CPU，32位和64位CPU最主要的区别在于一次能处理多少字节数据

32位寄存器一次能计算的最大整数是4294967295，即$2^{32}$

32CPU配32位地址总线理论最大寻址空间为4GB，若需访问更大内存，需通过内存分段映射（如 PAE）等技术实现逻辑扩展。所以理论上32位CPU最大只能操作4GB内存，而64位CPU寻址范围则很大，理论上最大的寻址空间为 $2^{64}$，但受硬件和系统限制，实际支持的内存通常为 GB 至 TB 级。

指令及其周期

指令类型

指令的类型指令从功能角度划分，可以分为 5 大类：

• 数据传输类型的指令，比如 store/load 是寄存器与内存间数据传输的指令，mov 是将一个内存地址的数据移动到另一个内存地址的指令；
• 运算类型的指令，比如加减乘除、位运算、比较大小等等，它们最多只能处理两个寄存器中的数据；
• 跳转类型的指令，通过修改程序计数器的值来达到跳转执行指令的过程，比如编程中常见的 if-else、switch-case、函数调用等。
• 信号类型的指令，比如发生中断的指令 trap；
• 闲置类型的指令，比如指令 nop，执行后 CPU 会空转一个周期；

MIPS指令类型

• R 指令，用在算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移操作的「位移量」，而最后的「功能码」则是再前面的操作码不够的时候，扩展操作码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，就没有了位移量和功能码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成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 位都是一个跳转后的地址；

指令周期

CPU读取程序计数器对应内存地址的指令，称为Fetch

CPU对指令进行解码，称为Decode

CPU执行指令，这个部分称为Execution

CPU将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存，这个部分称为Store

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]通过[地址总线]通知内存，内存将对应数据通过[数据总线]传给CPU，CPU的[控制单元]将收到的数据暂存到[指令寄存器]，[程序计数器]自增指向下一条指令

[控制单元]解析[指令寄存器]中的指令，确定指令的类型和参数

将计算类型的指令，交给算数逻辑单元处理，其他指令由控制单元处理

最后有结果将结果写回到内存或其他寄存器

指令的执行速度

CPU的时钟频率指每秒产生的脉冲信号次数，而每次脉冲信号高低电平的转换就是一个周期，称为时钟周期

指令的执行主要看指令所需的CPU时钟周期数以及CPU时钟周期

主频越高，CPU时钟周期越短，CPU工作速度就越快

想要程序跑的快，可以从以下三点进行优化：

• 指令数，表示执行程序所需要多少条指令，以及哪些指令。这个层面是基本靠编译器来优化，毕竟同样的代码，在不同的编译器，编译出来的计算机指令会有各种不同的表示方式。
• 每条指令的平均时钟周期数 CPI，表示一条指令需要多少个时钟周期数，现代大多数 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU 时钟周期数尽可能的少；
• 时钟周期时间，表示计算机主频，取决于计算机硬件。有的 CPU 支持超频技术，打开了超频意味着把 CPU 内部的时钟给调快了，于是 CPU 工作速度就变快了，但是也是有代价的，CPU 跑的越快，散热的压力就会越大，CPU 会很容易奔溃。