CPU 是如何执行程序 a = 1 + 2 的？

1. CPU 是如何执行程序的？

代码写了那么多，你知道 a = 1 + 2 这条代码是怎么被 CPU 执行的吗？

不知道也不用慌张，接下来就循序渐进的、一层一层的攻破这些问题。

图灵机的工作方式

图灵机长什么样子呢？你从下图可以看到图灵机的实际样子：

图灵机的基本组成如下：

• 有一条「纸带」，纸带由一个个连续的格子组成，每个格子可以写入字符，纸带就好比内存，而纸带上格子的字符就好比内存中的数据或程序；
• 有一个「读写头」，读写头可以读取纸带上任意格子的字符，也可以把字符写入到纸带的格子；
• 读写头上有一些部件，比如存储单元、控制单元以及运算单元：
• 存储单元用于存放数据；
• 控制单元用于识别字符是数据还是指令，以及控制程序的流程等；
• 运算单元用于执行运算指令

知道了图灵机的组成后，我们以简单数学运算的 1 + 2 作为例子，来看看它是怎么执行这行代码的。

• 首先，用读写头把 「1、2、+」这 3 个字符分别写入到纸带上的 3 个格子，然后读写头先停在 1 字符对应的格子上
  
• 接着，读写头读入 1 到存储设备中，这个存储设备称为图灵机的状态；
  
• 然后读写头向右移动一个格，用同样的方式把 2 读入到图灵机的状态，于是现在图灵机的状态中存储着两个连续的数字， 1 和 2；
  
• 读写头再往右移动一个格，就会碰到 + 号，读写头读到 + 号后，将 + 号传输给「控制单元」，控制单元发现是一个 + 号而不是数字，所以没有存入到状态中，因为 + 号是运算符指令，作用是加和目前的状态，于是通知「运算单元」工作，运算单元收到要加和状态中的值的通知后，就会把状态中的 1 和 2 读入并计算，再将计算的结果 3 存放到状态中
  
• 最后，运算单元将结果返回给控制单元，控制单元将结果传输给读写头，读写头向右移动，把结果 3 写入到纸带的格子中
  
  事实上，图灵机这个看起来很简单的⼯作⽅式，和我们今天的计算机是基本⼀样的。接下
  来，我们⼀同再看看当今计算机的组成以及⼯作⽅式。

冯诺依曼模型

在 1945 年冯诺依曼和其他计算机科学家们提出了计算机具体实现的报告，其遵循了图灵机的设计，⽽且还提出⽤电⼦元件构造计算机，并约定了⽤⼆进制进⾏计算和存储，还定义计算机基本结构为 5 个部分，分别是中央处理器（CPU）、内存、输⼊设备、输出设备、总线。

内存

我们的程序和数据都是存储在内存，存储的区域是线性的。

数据存储的单位是⼀个⼆进制位（bit），即 0 或 1。最⼩的存储单位是字节（byte），1 字节等于 8 位。

内存的地址是从 0 开始编号的，然后⾃增排列，最后⼀个地址为内存总字节数 - 1，这种结构好似我们程序⾥的数组，所以内存的读写任何⼀个数据的速度都是⼀样的。

中央处理器（CPU）

中央处理器也就是我们常说的 CPU，32 位和 64 位 CPU 最主要区别在于⼀次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；

**CPU内部组件：

• 寄存器
• 控制单元
• 逻辑运算单元

总线

总线是⽤于 CPU 和内存以及其他设备之间的通信，总线可分为 3 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，CPU 收到信号后⾃然进⾏响应，这时也需要控制总线；

当 CPU 要读写内存数据的时候，⼀般需要通过两个总线：

• ⾸先要通过「地址总线」来指定内存的地址；
• 再通过「数据总线」来传输数据；

输⼊、输出设备

输⼊设备向计算机输⼊数据，计算机经过计算后，把数据输出给输出设备。期间，如果输⼊设备是键盘，按下按键时是需要和 CPU 进⾏交互的，这时就需要⽤到控制总线了。

a = 1 + 2 执⾏具体过程

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，内存会有个专⻔的区域来存放这些数据，这个区域就是「数据段」。如下图，数据 1 和 2 的区域位置：

• 数据 1 被存放到 0x100 位置；
• 数据 2 被存放到 0x104 位置；

注意，数据和指令是分开区域存的，存放指令区域的地⽅称为「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0x200 ~ 0x20c 的区域中：

• 0x200 的内容是 load 指令将 0x100 地址中的数据 1 装⼊到寄存器 R0 ；
• 0x204 的内容是 load 指令将 0x104 地址中的数据 2 装⼊到寄存器 R1 ；
• 0x208 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 ；
• 0x20c 的内容是 store 指令将寄存器 R2 中的数据存回数据段中的 0x108 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 0x200 地址，然后依次执⾏这 4条指令，最终计算出变量a的结果。