操作系统--CPU初级

一、图灵机

外部：读写头、纸带

图灵机内部（读写头内部）：存储单元、控制单元、运算单元

图灵机主要功能就是读取纸带格子中的内容，然后交给控制单元识别字符是数字还是运算符指令，如果是数字则存入到图灵机状态中，如果是运算符，则通知运算符单元读取状态中的数值进行计算，计算结果最终返回给读写头，读写头把结果写入到纸带的格子中。

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二、冯诺依曼模型

计算机基本结构：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

1.内存

存储程序和数据、线性、字节

• 每一个字节(8 bit)都对应一个内存地址
• 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）
• 内存的读写任何一个数据的速度都是一样的

2.中央处理器CPU

CPU位宽、寄存器、控制单元、逻辑运算单元

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，可以计算的最大整数是；
• 64 位 CPU 一次可以计算 8 个字节，可以计算的最大整数是；

这里的 32 位和 64 位，通常称为 CPU 的位宽，代表的是 CPU 一次可以计算（运算）的数据量。

其中，控制单元负责控制 CPU 工作，逻辑运算单元负责计算，CPU 中的寄存器主要作用是存储计算时的数据。

常见的寄存器种类：

• 通用寄存器：存放需要进行运算的数据
• 程序计数器：存储 CPU 要执行下一条指令「所在的内存地址」，此时指令还在内存中
• 指令寄存器；存放当前正在执行的指令

3.总线

通信

• 数据总线：读写内存的数据
• 地址总线：指定 CPU 将要操作的内存地址
• 控制总线：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，一般需要通过下面这三个总线：

• 首先要通过「地址总线」来指定内存的地址；
• 然后通过「控制总线」控制是读或写命令；
• 最后通过「数据总线」来传输数据；

4.输入、输出设备

输入、输出数据

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三、数据是如何通过线路传输的呢？

串行传输（低效率）、线路位宽、CPU位宽

内存大小 = 可操作的内存地址数量 = 2^(地址总线数量) = 2^(线路位宽)

CPU 想要操作「内存地址」就需要「地址总线」，1 bit 只有 0、1 两种电信号。

CPU 位宽最好不要小于线路位宽，所以 32 位的 CPU 最好和 32 位宽的线路搭配，因为 32 位 CPU 一次最多只能操作 32 位宽的地址总线和数据总线。

32 位 CPU 最大只能操作 4GB 内存，就算你装了 8 GB 内存条也没用。而 64 位 CPU 寻址范围则很大，理论最大的寻址空间为 2^64。

但是并不代表 64 位 CPU 性能比 32 位 CPU 高很多，很少应用需要算超过 32 位的数字，所以如果计算的数额不超过 32 位数字的情况下，32 位和 64 位 CPU 之间没什么区别的，只有当计算超过 32 位数字的情况下，64 位的优势才能体现出来。

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四、程序执行的基本过程

CPU的指令周期

1. CPU读取程序计数器里指令的内存地址
2. 控制单元操作地址总线访问上述内存地址，得到指令数据
3. 指令数据通过数据总线传给CPU，存到指令寄存器

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1. 程序计数器自增（32位CPU一次可以计算4个字节，所以自增4）

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1. CPU分析指令寄存器中的指令：计算类型指令交给逻辑运算单元，存储类型指令交给控制单元

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五、a = 1 + 2 执行具体过程

数据和指令是分开区域存放的，存放指令区域的地方称为「正文段」，程序运行时，内存用来存放数据的区域是「数据段」。

• 指令大小：由于是在 32 位 CPU 执行的，因此一条指令是占 32 位大小，所以你会发现每条指令间隔 4 个字节。
• 数据大小：根据你在程序中指定的变量类型，比如 int 类型的数据则占 4 个字节，char 类型的数据则占 1 个字节。

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六、指令

1.编码与解析

上面的例子中，图中指令的内容我写的是简易的汇编代码，目的是为了方便理解指令的具体内容，事实上指令的内容是一串二进制数字的机器码，每条指令都有对应的机器码，CPU 通过解析机器码来知道指令的内容。

• 指令编码（机器码 -> 汇编代码）：编译器在编译程序的时候，会构造指令
• 指令解析（汇编代码 -> 机器码）：CPU 执行程序的时候，就会解析指令

2.流水线

现代大多数 CPU 都使用来流水线的方式来执行指令，所谓的流水线就是把一个任务拆分成多个小任务，于是一条指令通常分为 4 个阶段，称为 4 级流水线，如下图：

四个阶段的具体含义：

1. Fetch（取得指令）: CPU控制器通过程序计数器读取对应内存地址的指令 ；
2. Decode（指令译码）: CPU控制器对指令进行解码 ；
3. Execution（执行指令）: CPU控制器或运算器执行指令；
4. Store（数据回写）: CPU控制器将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存；

上面这 4 个阶段，我们称为指令周期（Instrution Cycle），CPU 的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。

事实上，不同的阶段其实是由计算机中的不同组件完成的：

3.指令的类型

数据传输类、运算类、跳转类、信号类、闲置类

4.指令的执行速度

因此，要想程序跑的更快，优化这三者即可：

• 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。

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七、补充

64 位相比 32 位 CPU 的优势在哪吗？64 位 CPU 的计算性能一定比 32 位 CPU 高很多吗？

64 位相比 32 位 CPU 的优势主要体现在两个方面：

• 64 位 CPU 可以一次计算超过 32 位的数字，而 32 位 CPU 如果要计算超过 32 位的数字，要分多步骤进行计算，效率就没那么高，但是大部分应用程序很少会计算那么大的数字，所以只有运算大数字的时候，64 位 CPU 的优势才能体现出来，否则和 32 位 CPU 的计算性能相差不大。
• 通常来说 64 位 CPU 的地址总线是 48 位，而 32 位 CPU 的地址总线是 32 位，所以 64 位 CPU 可以寻址更大的物理内存空间。如果一个 32 位 CPU 的地址总线是 32 位，那么该 CPU 最大寻址能力是 4G，即使你加了 8G 大小的物理内存，也还是只能寻址到 4G 大小的地址，而如果一个 64 位 CPU 的地址总线是 48 位，那么该 CPU 最大寻址能力是 2^48，远超于 32 位 CPU 最大寻址能力。

你知道软件的 32 位和 64 位之间的区别吗？再来 32 位的操作系统可以运行在 64 位的电脑上吗？64 位的操作系统可以运行在 32 位的电脑上吗？如果不行，原因是什么？

64 位和 32 位软件，实际上代表指令是 64 位还是 32 位的：

• 如果 32 位指令在 64 位机器上执行，需要一套兼容机制，就可以做到兼容运行了。但是如果 64 位指令在 32 位机器上执行，就比较困难了，因为 32 位的寄存器存不下 64 位的指令；
• 操作系统其实也是一种程序，我们也会看到操作系统会分成 32 位操作系统、64 位操作系统，其代表意义就是操作系统中程序的指令是多少位，比如 64 位操作系统，指令也就是 64 位，因此不能装在 32 位机器上。

总之，硬件的 64 位和 32 位指的是 CPU 的位宽，软件的 64 位和 32 位指的是指令的位宽。

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八、参考

小林 coding