馮諾依曼模型

馮諾依曼模型主要由五部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。

控制器（Control Unit）：從內(nèi)存中取指令、翻譯指令、分析指令，然后根據(jù)指令的內(nèi)存向有關(guān)部件發(fā)送控制命令，控制相關(guān)部件執(zhí)行指令所包含的操作。

運(yùn)算器（ALU）：處理數(shù)據(jù)，完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。

計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)，運(yùn)算器的操作對(duì)象和操作種類由控制器決定。運(yùn)算器操作的數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀取，處理的結(jié)果再寫入內(nèi)存（或暫時(shí)放在內(nèi)部寄存器中），而且運(yùn)算器對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀寫是由控制器來進(jìn)行的。

存儲(chǔ)器（Memory）:存儲(chǔ)程序和各種數(shù)據(jù)。

• 內(nèi)部存儲(chǔ)器（內(nèi)存、主存）：存取速度快，容量小價(jià)格高。用來存放即將執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，可供CPU直接讀取。
  • 隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）：可以被CPU隨機(jī)讀取（讀取任何一個(gè)地址數(shù)據(jù)的速度是一樣的，寫入任何一個(gè)地址數(shù)據(jù)的速度也是一樣的），一般存放CPU將要執(zhí)行的程序、數(shù)據(jù)，斷電丟失。
  • 只讀存儲(chǔ)器（ROM）：只能被CPU讀，不能輕易被CPU寫，用來存儲(chǔ)永久性的程序和數(shù)據(jù)，比如：系統(tǒng)引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序等。掉電易失。
  • 高速緩存存儲(chǔ)器（cache）：Cache是計(jì)算機(jī)中的一個(gè)高速小容量存儲(chǔ)器，其中存放的是CPU近期要執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)，其存取速度可以和CPU的速度匹配，一般采用靜態(tài)RAM充當(dāng)Cache。
• 外部存儲(chǔ)器：存取速度慢。用來存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，可以和內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，不需要依賴電來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。如硬盤、光盤...

輸入設(shè)備與輸出設(shè)備：鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器、打印機(jī)等

存儲(chǔ)單元與輸入輸出設(shè)備要和中央處理器打交道的話離不開總線。所以他們的關(guān)系如下：

內(nèi)存

我們的程序和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在內(nèi)存，存儲(chǔ)的區(qū)域是線性的。

在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單位是字節(jié)（byte）, 1字節(jié) = 8 位(bit)。每個(gè)字節(jié)都對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)存地址。

內(nèi)存的地址是從 0 開始編號(hào)的，然后自增排序，最后一個(gè)地址為內(nèi)存總字節(jié)數(shù)-1，這種結(jié)構(gòu)與程序中的數(shù)組類似，所以內(nèi)存中讀寫任何一個(gè)數(shù)據(jù)的速度都是相同的。

中央處理器

中央處理器也就是CPU，32位和64位CPU的主要區(qū)別在于一次性能計(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，代表的是CPU一次可以計(jì)算(運(yùn)算)的數(shù)據(jù)量。

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CPU那么一次只能計(jì)算一個(gè)字節(jié)- 0~255范圍內(nèi)的數(shù)值，這樣就無法完成1000*500的計(jì)算，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，常見的有寄存器、控制單元和邏輯運(yùn)算單元。其中，控制單元負(fù)責(zé)控制CPU的工作，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型，每種寄存器的功能不盡相同。

為什么有了內(nèi)存還需要寄存器？

因?yàn)閮?nèi)存離CPU太遠(yuǎn)了，而寄存器就在CPU內(nèi)，緊挨著控制單元和邏輯運(yùn)算單元，速度會(huì)更快。

常見寄存器種類：

• 通用寄存器，用來存放需要進(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，用來存儲(chǔ)CPU要執(zhí)行的下一條指令[所在的內(nèi)存地址]，注意不是存儲(chǔ)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，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，也就是指令本身，指令被執(zhí)行完之前都存儲(chǔ)在這里。

總線

總線是用于CPU和內(nèi)存以及其他設(shè)備之間的同學(xué)，總線分為三種：

• 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)

當(dāng)CPU要讀寫內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)候，一般需要通過下面這三個(gè)總線：

• 首先要通過[地址總線]來指定內(nèi)存的地址
• 然后通過[控制總線]控制是讀或?qū)懙拿?/li>
• 最后通過[數(shù)據(jù)總線]來傳輸數(shù)據(jù)

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線路位寬與CPU位寬

數(shù)據(jù)是如何通過線路傳輸?shù)哪?#xff1f;其實(shí)是通過操作電壓，低電壓表示0，高電壓表示1.

如果構(gòu)造了 高低高 這樣的電壓，其實(shí)就是 101 二進(jìn)制，十進(jìn)制表示5，如果只有一條線路，就意味著每次只能傳遞1bit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，這樣效率非常低。

這樣一位一位傳輸?shù)姆绞?#xff0c;稱為串行，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。想一次傳多一些數(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方式，線路的位寬最好一次能夠訪問到所有的內(nèi)存地址。

CPU想要操作[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]這兩種地址，所以CPU能操作的內(nèi)存地址最大數(shù)量為 2 個(gè)。（不能理解為同時(shí)操作兩個(gè)內(nèi)存地址）
• 如果地址總線有2條，那么能表示00、01、10、11四種地址，所以CPU能操作的內(nèi)存地址最大數(shù)量為 4 個(gè)

那么，想要CPU操作4G的內(nèi)存，就需要 32條地址總線。?

CPU的位寬最好不要小于線路的位寬 ，比如32位CPU控制40位寬的地址總線和數(shù)據(jù)總線的話，工作起來會(huì)非常麻煩，所以32位的CPU最好和32位寬的線路搭配，因?yàn)?2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·，就需要把這兩個(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)字來計(jì)算，先加兩個(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并不能一次性算出加和兩個(gè)64位的數(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)?4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32位的數(shù)字，所以如果計(jì)算的數(shù)額不超過32位數(shù)字的情況下，32位和64位CPU之間沒什么區(qū)別，只有當(dāng)計(jì)算超過32位數(shù)字的情況下，64位的優(yōu)勢(shì)才能體現(xiàn)出來。

另外，32位CPU最大只能操作4GB內(nèi)存，就算裝了8GB的內(nèi)存條，也沒用。而64位CPU尋址范圍則很大，理論最大尋址空間為.

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程序執(zhí)行的基本過程

程序?qū)嶋H上是一條一條的指令，所以程序的運(yùn)行過程就是把每一條指令一步一步的執(zhí)行起來，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令的就是CPU。

?CPU執(zhí)行程序的過程如下：

1. 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[數(shù)據(jù)總線]將指令數(shù)據(jù)傳給CPU，CPU收到內(nèi)存?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)后，將這個(gè)指令數(shù)據(jù)存入到[指令寄存器]。
2. [程序計(jì)數(shù)器]的值自增，表示指向下一個(gè)指令[地址]。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)加4。
3. 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。

總結(jié)：一個(gè)程序執(zhí)行的時(shí)候，CPU會(huì)根據(jù)程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)存地址，從內(nèi)存里面把需要執(zhí)行的指令讀到指令寄存器里面執(zhí)行，然后根據(jù)指令長(zhǎng)度自增，開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)過程會(huì)不斷循環(huán)，直到程序結(jié)束，這個(gè)不斷循環(huán)的過程被稱為CPU的指令周期

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a = 1 + 2的具體執(zhí)行過程

CPU是不認(rèn)識(shí) a = 1 + 2 這個(gè)字符串的，這些字符串只是方便我們認(rèn)識(shí)，想要這段程序能跑起來，還需要把整個(gè)程序翻譯成匯編語言的程序，這個(gè)過程被稱為編譯

除此之外，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 組成機(jī)器語言，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認(rèn)識(shí)的東西。

?a = 1 + 2 在32位CPU的執(zhí)行過程。

程序編譯過程中，編譯器通過分析代碼，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)有一個(gè)專門的區(qū)域來存放這些數(shù)據(jù)，這個(gè)區(qū)域就是[數(shù)據(jù)段]。

• 數(shù)據(jù)1被存放到0x200位置
• 數(shù)據(jù)2被存放到0x204位置

數(shù)據(jù)和指令是分開存放的，存放數(shù)據(jù)的區(qū)域稱為[數(shù)據(jù)段]，存放指令的區(qū)域稱為[正文段]。

編譯器會(huì)把 a = 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0x100~0x10c的區(qū)域中：

• 0x100的內(nèi)容是 load 指令將0x200地址中的數(shù)據(jù) 1 裝入到寄存器 R0 ；
• 0x104的內(nèi)容是 load 指令將0x204地址中的數(shù)據(jù) 2 裝入到寄存器 R1 ；
• 0x108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 ；
• 0x10c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0x208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0x100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，因此指令是占32位大小，所以每條指令的地址隔4個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)的大小事根據(jù)程序中指定的變量類型，比如 int 類型的數(shù)據(jù)占4個(gè)字節(jié)，char類型的數(shù)據(jù)占1個(gè)字節(jié)）

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總結(jié)

64位相比32位優(yōu)勢(shì)在哪？ 64位CPU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32位的數(shù)字，而32位CPU如果要計(jì)算超過32位的數(shù)字，要分多步驟進(jìn)行計(jì)算，效率就沒那么高，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，否則和32位CPU的計(jì)算性能相差不大。
• 通常來說64位CPU的地址總線是48位，而32位CPU的地址總線是32位，所以64位CPU可以尋址更大的物理內(nèi)存空間。如果一個(gè)32位CPU的地址總線是32位那么該CPU的最大尋址能力是4G，即使使用8G大小的內(nèi)存，也還是只能尋址到4G大小的地址，而如果一個(gè)64位CPU的地址總線是48位，那么該CPU的最大尋址范圍是,遠(yuǎn)超于32位CPU的最大尋址能力。

32位軟件和64位軟件的區(qū)別？32位操作系統(tǒng)能夠運(yùn)行在64位電腦上嗎？

64位和32位軟件，實(shí)際上代表指令是64位還是32位：

• 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)器上運(yùn)行，就比較困難，因?yàn)?2位寄存器存不下64位的指令。
• 操作系統(tǒng)其實(shí)也是一種程序，操作系統(tǒng)也分為32位和64位，其代表的意思就是操作系統(tǒng)中程序的指令是多少位，64位操作系統(tǒng)指令為64位，不能裝在32位的機(jī)器上。

硬件的64位和32位指的是CPU的位寬，軟件的32位和64位指的是指令的位寬。