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[26280] 2020-10-17_CPU执行程序的秘密，藏在了这15张图里

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-10-17_CPU执行程序的秘密，藏在了这15张图里 C P U   执 行 程 序 的 秘 密 ， 藏 在 了 这   1 5   张 图 里 L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 1 0 - 1 7 以 下 文 章 来 源 于 小 林 c o d i n g   ， 作 者 小 林 c o d i n g 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 小 林 小 林 c o d i n g 前 言 前 言 代 码 写 了 那 么 多 ， 你 知 道 这 条 代 码 是 怎 么 被   C P U   执 行 的 吗 ？ 软 件 用 了 那 么 多 ， 你 知 道 软 件 的   3 2   位 和   6 4   位 之 间 的 区 别 吗 ？ 再 来   3 2   位 的 操 作 系 统 可 以 运 行 在   6 4   位 的 电 脑 上 吗 ？ 6 4   位 的 操 作 系 统 可 以 运 行 在   3 2   位 的 电 脑 上 吗 ？ 如 果 不 行 ， 原 因 是 什 么 ？ C P U   看 了 那 么 多 ， 我 们 都 知 道   C P U   通 常 分 为   3 2   位 和   6 4   位 ， 你 知 道   6 4   位 相 比   3 2   位   C P U   的 优 势 在 哪 吗 ？ 6 4   位   C P U   的 计 算 性 能 一 定 比   3 2   位   C P U   高 很 多 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 。 小 林 小 林 c o d i n g   . 图 解 得 了 技 术 ， 谈 吐 得 了 烟 火 。 a   =   1   +   2
正 文 正 文 图 灵 机 的 工 作 方 式 要 想 知 道 程 序 执 行 的 原 理 ， 我 们 可 以 先 从 「 图 灵 机 」 说 起 ， 图 灵 的 基 本 思 想 是 用 机 器 来 模 拟 人 们 用 纸 笔 进 行 数 学 运 算 的 过 程 ， 而 且 还 定 义 了 计 算 机 由 哪 些 部 分 组 成 ， 程 序 又 是 如 何 执 行 的 。 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 来 源 自 ： h t t p : / / w w w . k r i s t e r g u s t a f s s o n . m e / t u r i n g - m a c h i n e / 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 的 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 ： 1 、 存 储 单 元 用 于 存 放 数 据 ； 2 、 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 ； 3 、 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 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 ； 1   +   2
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 ； 通 过 上 面 的 图 灵 机 计 算     的 过 程 ， 可 以 发 现 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 。 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   1 9 4 5   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 （ 中 央 处 理 器 （ C P U ） 、 内 存 、 输 入 设 备 、 输 出 设 备 、 总 线 ） 、 内 存 、 输 入 设 备 、 输 出 设 备 、 总 线 。 这   5   个 部 分 也 被 称 为 冯 诺 依 曼 模 型 ， 接 下 来 看 看 这   5   个 部 分 的 具 体 作 用 。 内 存 内 存 1   +   2
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 （ 二 进 制 位 （ b i t ） ） ， 即   0   或   1 。 最 小 的 存 储 单 位 是 字 节 （ 字 节 （ b y t e ） ） ， 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 中 央 处 理 器 中 央 处 理 器 也 就 是 我 们 常 说 的   C P U ， 3 2   位 和   6 4   位   C P U   最 主 要 区 别 在 于 一 次 能 计 算 多 少 字 节 数 据 ： 3 2   位   C P U   一 次 可 以 计 算   4   个 字 节 ； 6 4   位   C P U   一 次 可 以 计 算   8   个 字 节 ； 这 里 的   3 2   位 和   6 4   位 ， 通 常 称 为   C P U   的 位 宽 。 之 所 以   C P U   要 这 样 设 计 ， 是 为 了 能 计 算 更 大 的 数 值 ， 如 果 是   8   位 的   C P U ， 那 么 一 次 只 能 计 算   1   个 字 节 范 围 内 的 数 值 ， 这 样 就 无 法 一 次 完 成 计 算 ， 于 是 为 了 能 一 次 计 算 大 数 的 运 算 ， C P U   需 要 支 持 多 个   b y t e   一 起 计 算 ， 所 以   C P U   位 宽 越 大 ， 可 以 计 算 的 数 值 就 越 大 ， 比 如 说   3 2   位   C P U   能 计 算 的 最 大 整 数 是 。 C P U   内 部 还 有 一 些 组 件 ， 常 见 的 有 寄 存 器 、 控 制 单 元 和 逻 辑 运 算 单 元 等 。 其 中 ， 控 制 单 元 负 责 控 制   C P U 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 。 C P U   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   C P U   太 远 了 ， 而 寄 存 器 就 在   C P U   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   C P U   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 总 线 是 用 于   C P U   和 内 存 以 及 其 他 设 备 之 间 的 通 信 ， 总 线 可 分 为   3   种 ： 0 ~ 2 5 5 1 0 0 0 0   *   5 0 0 4 2 9 4 9 6 7 2 9 5
地 址 总 线 ， 用 于 指 定   C P U   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 ， C P U   收 到 信 号 后 自 然 进 行 响 应 ， 这 时 也 需 要 控 制 总 线 ； 当   C P U   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 、 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   C P U   进 行 交 互 的 ， 这 时 就 需 要 用 到 控 制 总 线 了 。 线 路 位 宽 与   C P U   位 宽 数 据 是 如 何 通 过 线 路 传 输 的 呢 ？ 其 实 是 通 过 操 作 电 压 ， 低 电 压 表 示   0 ， 高 压 电 压 则 表 示   1 。 如 果 构 造 了 高 低 高 这 样 的 信 号 ， 其 实 就 是   1 0 1   二 进 制 数 据 ， 十 进 制 则 表 示   5 ， 如 果 只 有 一 条 线 路 ， 就 意 味 着 每 次 只 能 传 递   1   b i t   的 数 据 ， 即   0   或   1 ， 那 么 传 输   1 0 1   这 个 数 据 ， 就 需 要   3   次 才 能 传 输 完 成 ， 这 样 的 效 率 非 常 低 。 这 样 一 位 一 位 传 输 的 方 式 ， 称 为 串 行 ， 下 一 个   b i t   必 须 等 待 上 一 个   b i t   传 输 完 成 才 能 进 行 传 输 。 当 然 ， 想 一 次 多 传 一 些 数 据 ， 增 加 线 路 即 可 ， 这 时 数 据 就 可 以 并 行 传 输 。 为 了 避 免 低 效 率 的 串 行 传 输 的 方 式 ， 线 路 的 位 宽 最 好 一 次 就 能 访 问 到 所 有 的 内 存 地 址 。 C P U   要 想 操 作 的 内 存 地 址 就 需 要 地 址 总 线 ， 如 果 地 址 总 线 只 有   1   条 ， 那 每 次 只 能 表 示   「 0   或   1 」 这 两 种 情 况 ， 所 以   C P U   一 次 只 能 操 作   2   个 内 存 地 址 ， 如 果 想 要   C P U   操 作   4 G   的 内 存 ， 那 么 就 需 要   3 2   条 地 址 总 线 ， 因 为 。 知 道 了 线 路 位 宽 的 意 义 后 ， 我 们 再 来 看 看   C P U   位 宽 。 C P U   的 位 宽 最 好 不 要 小 于 线 路 位 宽 ， 比 如   3 2   位   C P U   控 制   4 0   位 宽 的 地 址 总 线 和 数 据 总 线 的 话 ， 工 作 起 来 就 会 非 常 复 杂 且 麻 烦 ， 所 以   3 2   位 的   C P U   最 好 和   3 2   位 宽 的 线 路 搭 配 ， 因 为   3 2   位   C P U   一 次 最 多 只 能 操 作   3 2   位 宽 的 地 址 总 线 和 数 据 总 线 。 如 果 用   3 2   位   C P U   去 加 和 两 个   6 4   位 大 小 的 数 字 ， 就 需 要 把 这   2   个   6 4   位 的 数 字 分 成   2   个 低 位   3 2   位 数 字 和   2   个 高 位   3 2   位 数 字 来 计 算 ， 先 加 个 两 个 低 位 的   3 2   位 数 字 ， 算 出 进 位 ， 然 后 加 和 两 个 高 位 的   3 2   位 数 字 ， 最 后 再 加 上 进 位 ， 就 能 算 出 结 果 了 ， 可 以 发 现   3 2   位   C P U   并 不 能 一 次 性 计 算 出 加 和 两 个   6 4   位 数 字 的 结 果 。 2   ^   3 2   =   4 G
对 于   6 4   位   C P U   就 可 以 一 次 性 算 出 加 和 两 个   6 4   位 数 字 的 结 果 ， 因 为   6 4   位   C P U   可 以 一 次 读 入   6 4   位 的 数 字 ， 并 且   6 4   位   C P U   内 部 的 逻 辑 运 算 单 元 也 支 持   6 4   位 数 字 的 计 算 。 但 是 并 不 代 表   6 4   位   C P U   性 能 比   3 2   位   C P U   高 很 多 ， 很 少 应 用 需 要 算 超 过   3 2   位 的 数 字 ， 所 以 如 果 计 算 如 果 计 算 的 数 额 不 超 过 的 数 额 不 超 过   3 2   位 数 字 的 情 况 下 ， 位 数 字 的 情 况 下 ， 3 2   位 和 位 和   6 4   位 位   C P U   之 间 没 什 么 区 别 的 ， 只 有 当 计 算 超 过 之 间 没 什 么 区 别 的 ， 只 有 当 计 算 超 过   3 2   位 位 数 字 的 情 况 下 ， 数 字 的 情 况 下 ， 6 4   位 的 优 势 才 能 体 现 出 来 位 的 优 势 才 能 体 现 出 来 。 另 外 ， 3 2   位   C P U   最 大 只 能 操 作   4 G B   内 存 ， 就 算 你 装 了   8   G B   内 存 条 ， 也 没 用 。 而   6 4   位   C P U   寻 址 范 围 则 很 大 ， 理 论 最 大 的 寻 址 空 间 为 。 程 序 执 行 的 基 本 过 程 在 前 面 ， 我 们 知 道 了 程 序 在 图 灵 机 的 执 行 过 程 ， 接 下 来 我 们 来 看 看 程 序 在 冯 诺 依 曼 模 型 上 是 怎 么 执 行 的 。 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   C P U   了 。 那   C P U   执 行 程 序 的 过 程 如 下 ： 第 一 步 ， C P U   读 取 「 程 序 计 数 器 」 的 值 ， 这 个 值 是 指 令 的 内 存 地 址 ， 然 后   C P U   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   C P U ， C P U   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 ， C P U   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 ， C P U   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 C P U   的 位 宽 决 定 ， 比 如   3 2   位 的   C P U ， 指 令 是   4   个 字 节 ， 需 要   4   个 内 存 地 址 存 放 ， 因 此 「 程 序 计 数 2 ^ 6 4
器 」 的 值 会 自 增   4 ； 简 单 总 结 一 下 就 是 ， 一 个 程 序 执 行 的 时 候 ， C P U   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 。 C P U   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   C P U   的 指 令 周 期 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 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 。 C P U   是 不 认 识 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 汇 编 语 言 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 计 算 机 指 令 ， 这 个 才 是   C P U   能 够 真 正 认 识 的 东 西 。 下 面 来 看 看     在   3 2   位   C P U   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   0 x 1 0 0   位 置 ； 数 据   2   被 存 放 到   0 x 1 0 4   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 」 。 a   =   1   +   2 a   =   1   +   2 a   =   1   +   2
编 译 器 会 把 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   0 x 2 0 0   ~   0 x 2 0 c   的 区 域 中 ： 0 x 2 0 0   的 内 容 是 指 令 将   0 x 1 0 0   地 址 中 的 数 据   1   装 入 到 寄 存 器 ； 0 x 2 0 4   的 内 容 是 指 令 将   0 x 1 0 4   地 址 中 的 数 据   2   装 入 到 寄 存 器 ； 0 x 2 0 8   的 内 容 是 指 令 将 寄 存 器 和 的 数 据 相 加 ， 并 把 结 果 存 放 到 寄 存 器 ； 0 x 2 0 c   的 内 容 是 a   =   1   +   2 l o a d R 0 l o a d R 1 a d d R 0 R 1 R 2 s t o r e
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