计算机原理-计算机工作原理（1）

冯诺依曼体系结构

冯诺依曼的核心是：存储程序，顺序执行。

冯诺依曼体系结构有以下特点：

1.计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示；

2.指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中；

3.顺序执行程序的每一条指令；

4. 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。 

冯诺依曼体系结构的计算机必须具有如下功能：

• 把需要的程序和数据送至计算机中；
• 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；
• 能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；
• 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；
• 能够按照要求将处理结果输出给用户。

对于现代计算机来说，最关键的2个部件就是CPU和内存。内存存储了要执行的程序指令，而CPU就是用来执行这些指令。CPU首先要知道这些指定存放在存储器的那个区域，然后才能执行，并且把执行的结果写入到执行区域。

  CPU功能:

1. 指令控制： 指令控制也称为程序的顺序控制，控制程序严格按照规定的顺序执行。
2. 操作控制： 将取出的指令的产生一系列的控制信号(微指令)，分别送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行工作。
3. 时间控制： 有些控制信号在时间上有严格的先后顺序，如读取存储器的数据，只有当地址线信号稳定以后，才能通过数据线将所需的数据读出，否则读出的数据是不正确的数据，这样计算机才能有条不紊地工作。
4. 数据加工： 所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。 所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理

CPU的工作过程:

CPU的基本工作是执行存储的指令序列，即程序。程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。
CPU从存放程序的主存储器里取出一条指令，译码并执行这条指令，保存执行结果，紧接着又去取指令，译码，执行指令……，如此周而复始，反复循环，使得计算机能够自动地工作。除非遇到停机指令，否则这个循环将一直进行下去。其过程如图3-3所示

图3-3 程序的执行过程
 
3.2.1 指令的执行过程
几乎所有的冯•诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回。如图3-4所示。

图3-4 指令的执行过程
1．取指令阶段
取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。
程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增。若为单字长指令，则(PC)+1PC，若为双字长指令，则(PC)+2PC，依此类推。
2．指令译码阶段
取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。
在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别和区分出不同的指令类别及各种获取操作数的方法。
在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。
在传统的设计里，CPU中负责指令译码的部分是无法改变的硬件。不过，在众多运用微程序控制技术的新型CPU中，微程序有时是可重写的，可以通过修改成品CPU来改变CPU的译码方式。
3．执行指令阶段
在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。
此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。
例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元（ALU）将被连接到一组输入和一组输出，输入端提供需要相加的数值，而输出端将含有最后的运算结果。
4．访存取数阶段

根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。

5．结果写回阶段
作为最后一个阶段，结果写回（Writeback，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取。在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将正常地顺序取出下一条指令。

CPU的周期：
对于CPU来说取出和执行任何一条指令所需的最短时间为两个CPU周期。所以频率越高，那么时钟周期越短，这样CPU周期和指令周期也就越短，理论上程序执行的速度也越快。但是频率不能无限的提高，而且频率的提高也带来了功耗，发热等问题，所以目前也有超线程，流水线等技术来提高CPU执行的速度。

CPU的时序发生器：

1.时序信号： 在计算机高速运行的过程中，计算机内各部件的每一个动作都必须严格遵守时间规定，不能有任何差错。计算机内各部件的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。计算机各部分工作所需的时序信号，在CPU中统一由时序发生器来产生。

2.时序发生器： 时序信号发生器是产生指令周期控制时序信号的部件，当CPU开始取指令并执行指令时，操作控制器利用时序信号发生器产生的定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，提供计算机各部分工作时所需的各种微操作定时控制信号，有条理、有节奏地指挥机器各个部件按规定时间动作。

在这里有一个疑问：指令和数据都存放在内存中，那么CPU怎么区分是指令还是数据呢？

从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中，即发生在“取指令”阶段，而取数据事件发生在指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在“执行指令”阶段。从空间上来说，如果取出的代码是指令，那么一定送往指令寄存器，如果取出的代码是数据，那么一定送往运算器。

 C#和JAVA程序编译出来的文件不是二进制的机器码，而是中间语言，那么他们又是怎么运行的呢？
答:  计算机不能直接理解高级语言，它只能理解机器语言，所以我们必须要把高级语言翻译成机器语言，这样计算机才能执行高级语言编写的程序。
非托管环境的编译过程（C/C++）
纯C/C++的程序通常运行在一个非托管环境中，类是由头文件（.h）和实现文件（.cpp）组成，每个类形成了一个单独的编译单元，当我们编译程序时，几个基本组件会把我们的源代码翻译成二进制代码，接下来我们通过以下图片说明非托管环境的编译过程：
图1 C/C++编译过程
首先是预处理器，如果在项目中有头文件和宏表达式，那么它将负责包含头文件和翻译所有的宏观表达式。
接下来是编译器，它不是直接生成二进制代码，而是生成汇编代码（.s），这基本上是所有现代的非结构化语言的共同基础。
然后，汇编程序把汇编代码翻译成目标代码（.o和.obj文件，机器指令）。
最后链接器，它把所有彼此相关的目标文件和生成的可执行文件或库链接起来。
总而言之，在一般情况下，我们的代码首先翻译成汇编代码，接着翻译成机器指令（二进制代码）。
什么是宏？
在C/C++中，宏是预处理指令，它有多种应用技术：包括预定义、创建关键字和条件编译等等。在一般情况下，这些技术在C++中使用被认为是不好的做法，主要原因是有可能滥用C++提供的语法变化功能，甚至有可能在不知情情况下创建了非标准的语言，宏不遵循一般的源代码编译规则，由于它通过预处理来处理，而不是编译器。
托管环境的编译过程（C#/Java）
在托管环境中，编译的过程略有不同，我们熟知的托管语言有C#和Java，接下来，我们将以C#和Java为例介绍在托管环境中的编译过程。
当我们在喜爱的IDE中编写代码时，第一个检测我们代码的就是IDE（词法分析），然后，编译成目标文件和链接到动态/静态库或可执行文件进行再次检查（语法分析），最后一次检查是运行时检查。托管环境的共同特点是： 编译器不直接编译成机器码，而是中间代码 ，在.NET中称为MSIL - Microsoft Intermediate Language，Java是字节码（Bytecode）
在那之后，在运行时 JIT （Just In Time）编译器将MSIL翻译成机器码，这意味着我们的代码在真正使用的时候才被解析，这允许在 CLR （公共语言运行时）预编译和优化我们的代码，实现程序性能的提高，但增加了程序的启动时间，我们也可以使用Ngen（Native Image Generator）预编译我们的程序，从而缩短程序的启动时间，但没有运行时优化的优点。（ JeffWong 的补充Java是先通过编译器编译成Bytecode，然后在运行时通过解释器将Bytecode解释成机器码；C#是先通过编译器将C#代码编译成IL，然后通过CLR将IL编译成机器代码。所以严格来说Java是一种先编译后解释的语言，而C#是一门纯编译语言，且需要编译两次 。）
 

图2 C#的编译过程

.Net Framework就是在Win32 core上添加了一个抽象层，它提供的一个好处就是支持多语言、JIT优化、自动内存管理和改进安全性；另外一个完整解决方案是WinRT，但这涉及到另外一个主题了，这里不作详细介绍。

图3 Windows API

JIT编译的优点和缺点

JIT编译带来了许多好处，最大的一个在我看来是性能的优势，它允许CLR（通用语言运行时扮演Assembler组件）只执行需要的代码，例如：假设我们有一个非常大的WPF应用程序，它不是立即加载整个程序，而是CLR开始执行时，我们代码的不同部分将通过一个高效的方法翻译成本地指令，因为它能够检查系统JIT和生成优化的代码，而不是按照一个预定义的模式。不幸的是，有一个缺点就是启动的过程比较慢，这意味着它不适用于加载时间长的包。

JIT的替代方案使用NGen

如果Visual Studio由JIT创建，那么它的启动我们将需要等待几分钟，相反，如果它是使用Ngen（Native Image Generator）编译，它将创建纯二进制可执行文件，如果只考虑速度的问题，那是绝对是正确的选择。