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小林coding：CPU 是如何執行程序的？

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馮諾依曼計算機遵循了圖靈機的設計,使用了電子元件構造,約定了用二進制進行計算和存儲

圖靈機基本由紙帶和和讀寫頭組成,讀寫頭上有存儲單元,控制單元和運算單元

馮諾依曼模型定義了計算機基本結構為5部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備

關系大致如圖，運算器和控制器在中央處理器中，存儲器為內存，輸入輸出設備則是計算器外接的設備

內存

內存存儲數據的基本單位是字節（byte），1字節等于8位（8bit）

程序和數據都存儲在內存中，內存的存儲區域是線性的，地址從0開始編號，自增排列，所以內存讀寫任何一個數據的速度基本一致

中央處理器

即CPU，32位和64位CPU最主要的區別在于一次能處理多少字節數據

32位寄存器一次能計算的最大整數是4294967295，即$2^{32}$

32CPU配32位地址總線理論最大尋址空間為4GB，若需訪問更大內存，需通過內存分段映射（如 PAE）等技術實現邏輯擴展。所以理論上32位CPU最大只能操作4GB內存，而64位CPU尋址范圍則很大，理論上最大的尋址空間為 $2^{64}$，但受硬件和系統限制，實際支持的內存通常為 GB 至 TB 級。

指令及其周期

指令類型

指令的類型指令從功能角度劃分，可以分為 5 大類：

• 數據傳輸類型的指令，比如 store/load 是寄存器與內存間數據傳輸的指令，mov 是將一個內存地址的數據移動到另一個內存地址的指令；
• 運算類型的指令，比如加減乘除、位運算、比較大小等等，它們最多只能處理兩個寄存器中的數據；
• 跳轉類型的指令，通過修改程序計數器的值來達到跳轉執行指令的過程，比如編程中常見的 if-else、switch-case、函數調用等。
• 信號類型的指令，比如發生中斷的指令 trap；
• 閑置類型的指令，比如指令 nop，執行后 CPU 會空轉一個周期；

MIPS指令類型

• R 指令，用在算術和邏輯操作，里面有讀取和寫入數據的寄存器地址。如果是邏輯位移操作，后面還有位移操作的「位移量」，而最后的「功能碼」則是再前面的操作碼不夠的時候，擴展操作碼來表示對應的具體指令的；
• I 指令，用在數據傳輸、條件分支等。這個類型的指令，就沒有了位移量和功能碼，也沒有了第三個寄存器，而是把這三部分直接合并成了一個地址值或一個常數；
• J 指令，用在跳轉，高 6 位之外的 26 位都是一個跳轉后的地址；

指令周期

CPU讀取程序計數器對應內存地址的指令，稱為Fetch

CPU對指令進行解碼，稱為Decode

CPU執行指令，這個部分稱為Execution

CPU將計算結果存回寄存器或者將寄存器的值存入內存，這個部分稱為Store

CPU讀取[程序計數器]的值，這個值是指令的內存地址，然后CPU的[控制單元]通過[地址總線]通知內存，內存將對應數據通過[數據總線]傳給CPU，CPU的[控制單元]將收到的數據暫存到[指令寄存器]，[程序計數器]自增指向下一條指令

[控制單元]解析[指令寄存器]中的指令，確定指令的類型和參數

將計算類型的指令，交給算數邏輯單元處理，其他指令由控制單元處理

最后有結果將結果寫回到內存或其他寄存器

指令的執行速度

CPU的時鐘頻率指每秒產生的脈沖信號次數，而每次脈沖信號高低電平的轉換就是一個周期，稱為時鐘周期

指令的執行主要看指令所需的CPU時鐘周期數以及CPU時鐘周期

主頻越高，CPU時鐘周期越短，CPU工作速度就越快

想要程序跑的快，可以從以下三點進行優化：

• 指令數，表示執行程序所需要多少條指令，以及哪些指令。這個層面是基本靠編譯器來優化，畢竟同樣的代碼，在不同的編譯器，編譯出來的計算機指令會有各種不同的表示方式。
• 每條指令的平均時鐘周期數 CPI，表示一條指令需要多少個時鐘周期數，現代大多數 CPU 通過流水線技術（Pipeline），讓一條指令需要的 CPU 時鐘周期數盡可能的少；
• 時鐘周期時間，表示計算機主頻，取決于計算機硬件。有的 CPU 支持超頻技術，打開了超頻意味著把 CPU 內部的時鐘給調快了，于是 CPU 工作速度就變快了，但是也是有代價的，CPU 跑的越快，散熱的壓力就會越大，CPU 會很容易奔潰。