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;

这里的 32 位和 64 位,通常称为 CPU 的位宽。

之所以 CPU 要这样设计,是为了能计算更大的数值,如果是 8 位的 CPU,那么一次只能计算 1 个字节 0~255 范围内的数值,这样就无法一次完成计算 10000 * 500 ,于是为了能一次计算大数的运算,CPU 需要支持多个 byte 一起计算,所以 CPU 位宽越大,可以计算的数值就越大,比如说 32 位 CPU 能计算的最大整数是4294967295

CPU 内部还有一些组件,常见的有寄存器控制单元逻辑运算单元等。其中,控制单元负责控制 CPU 工作,逻辑运算单元负责计算,而寄存器可以分为多种类,每种寄存器的功能又不尽相同。

CPU 中的寄存器主要作用是存储计算时的数据,你可能好奇为什么有了内存还需要寄存器?原因很简单,因为内存离 CPU 太远了,而寄存器就在 CPU 里,还紧挨着控制单元和逻辑运算单元,自然计算时速度会很快。

常见的寄存器种类:

  • 通用寄存器,用来存放需要进行运算的数据,比如需要进行加和运算的两个数据。
  • 程序计数器,用来存储 CPU 要执行下一条指令「所在的内存地址」,注意不是存储了下一条要执行的指令,此时指令还在内存中,程序计数器只是存储了下一条指令的地址。
  • 指令寄存器,用来存放程序计数器指向的指令,也就是指令本身,指令被执行完成之前,指令都存储在这里。

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。

程序执行的基本过程

程序实际上是一条一条指令,所以程序的运行过程就是把每一条指令一步一步的执行起来,负责执行指令的就是 CPU 了。

那 CPU 执行程序的过程如下:

  • 第一步,CPU 读取「程序计数器」的值,这个值是指令的内存地址,然后 CPU 的「控制单元」操作「地址总线」指定需要访问的内存地址,接着通知内存设备准备数据,数据准备好后通过「数据总线」将指令数据传给 CPU,CPU 收到内存传来的数据后,将这个指令数据存入到「指令寄存器」。
  • 第二步,CPU 分析「指令寄存器」中的指令,确定指令的类型和参数,如果是计算类型的指令,就把指令交给「逻辑运算单元」运算;如果是存储类型的指令,则交由「控制单元」执行;
  • 第三步,CPU 执行完指令后,「程序计数器」的值自增,表示指向下一条指令。这个自增的大小,由 CPU 的位宽决定,比如 32 位的 CPU,指令是 4 个字节,需要 4 个内存地址存放,因此「程序计数器」的值会自增 4;

简单总结一下就是,一个程序执行的时候,CPU 会根据程序计数器里的内存地址,从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行,然后根据指令长度自增,开始顺序读取下一条指令。

CPU 从程序计数器读取指令、到执行、再到下一条指令,这个过程会不断循环,直到程序执行结束,这个不断循环的过程被称为 CPU 的指令周期

a = 1 + 2 执行具体过程

知道了基本的程序执行过程后,接下来用 a = 1 + 2 的作为例子,进一步分析该程序在冯诺伊曼模型的执行过程。

CPU 是不认识 a = 1 + 2 这个字符串,这些字符串只是方便我们程序员认识,要想这段程序能跑起来,还需要把整个程序翻译成汇编语言的程序,这个过程称为编译成汇编代码。

针对汇编代码,我们还需要用汇编器翻译成机器码,这些机器码由 0 和 1 组成的机器语言,这一条条机器码,就是一条条的计算机指令,这个才是 CPU 能够真正认识的东西。

下面来看看 a = 1 + 2 在 32 位 CPU 的执行过程。

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,内存会有个专门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放的,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 R0R1 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。

上面的例子中,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。

而数据的大小是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。