前言代码写了这么多，你知道a=1+2的代码是如何被CPU执行的吗？软件用了这么多，你知道32位和64位软件有区别吗？32位操作系统可以在64位计算机上运行吗？64位操作系统可以在32位计算机上运行吗？若否，原因为何？?CPU见多了，大家都知道CPU通常分为32位和64位，你知道64位相对于32位CPU有哪些优势吗？64位CPU的计算性能一定比32位CPU高很多吗？知道了就不要慌，然后一步一步，一层层的攻破这些问题。文本图灵机的工作方式如果想了解程序执行的原理，可以从“图灵机”说起。组件是什么，程序是如何执行的。图灵机长什么样？从下图可以看到图灵机的实际外观：图片来源来自：http://www.kristergustafsson.me/turing-machine/图灵机的基本组成如下：（1)有一种“纸带”，纸带由连续的格子组成，每个格子都可以写字符，纸带就像内存，纸带上格子的字符就像内存中的数据或程序；(2)有一个“读写头”，读写头可以读取纸带上任意格子的字符，也可以将字符写入纸带的格子中；(3)读写头上有一些部件，如存储单元、控制单元和运算单元：存储单元用于存储数据；控制单元用于识别字符是数据还是指令，控制程序的流程等。操作单元用于执行操作指令；知道了图灵机的组成之后，我们以简单的数学运算1+2为例，看看它是如何执行这行代码的。首先用读写头将“1、2、+”三个字符写入纸带上的三个格子中，然后读写头先停在1个字符对应的格子上；然后，读写头将Enter1读入存储设备，这个存储设备称为图灵机的状态；然后读写头向右移动一格，用同样的方法将2读入图灵机的状态，所以现在图灵机的状态存储了两个连续的数，1和2；将读写头再向右移动一格，就会遇到+号。读写头读到+号后，会把+号传给“控制单元”，控制单元发现是一个+号不是数字，所以不存入状态，因为+号是运算符指令，作用是添加当前状态，通知“计算单元”开始工作。运算单元收到状态中添加值的通知后，会读取并计算状态中的1和2，然后将计算出的结果3存储到状态中；最后，运算单元将结果返回给控制单元，控制单元将结果传给读写头，读写头右移，将结果3写入纸带的格子中；通过上面图灵机计算1+2的过程可以发现，图灵机的主要作用是读取纸带的格子中的内容，交给控制单元来识别是否是字符是一个数字或操作符指令。如果它是一个数字，它将存储在图灵机的状态中。如果是算子，会通知算子单元读取状态中的值。进行计算，最后将计算结果返回给读写头，读写头将结果写入纸带的格子中。事实上，图灵机看似简单的工作方式，与我们今天的计算机基本相同。接下来，让我们来看看当今计算机的组成和工作方式。冯·诺依曼模型1945年，冯·诺依曼等计算机科学家提出了一份关于计算机具体实现的报告，该报告沿用了图灵机的设计，还提出用电子元件构造计算机，并同意用二进制进行计算而Storage也将计算机的基本结构定义为五个部分，即中央处理器（CPU）、存储器、输入设备、输出设备和总线。这五个部分也被称为冯诺依曼模型。接下来，我们来看一下这五个部分的具体作用。1、内存我们的程序和数据都是存放在内存中的，存储区域是线性的。数据存储的单位是二进制位（bit），即0或1。最小的存储单位是字节（byte），1字节等于8位。内存的地址从0开始编号，然后自增排列。最后一个地址是内存的总字节数-1。这个结构在我们的程序中就像一个数组，所以在内存中读写任何数据的速度都是一样的。的。2、中央处理器中央处理器就是我们常说的CPU。32位和64位CPU的主要区别在于一次可以计算多少字节的数据：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位通常指的是CPU的位宽。CPU之所以这样设计，是为了能够计算出更大的数值。如果是8位CPU，一次只能计算1字节0~255范围内的值，所以不可能一次完成10000*500的计算。因此，为了一次计算大数，CPU需要支持多个字节一起计算，所以CPU位宽越大，可以计算的值就越大。例如32位CPU能计算的最大整数是4294967295。CPU内部还有一些部件，如寄存器、控制单元、逻辑运算单元等。其中，控制单元负责控制CPU的工作，逻辑运算单元负责计算，而寄存器又可以分为很多种，每个寄存器的作用也不尽相同。CPU中寄存器的主要作用是存放计算数据。你可能想知道为什么有内存还要寄存器？原因很简单，因为内存离CPU太远了，而寄存器在CPU里面，紧挨着控制单元和逻辑运算单元，自然计算速度会很快。通用寄存器类型：通用寄存器用于存放需要计算的数据，比如需要相加的两个数据。程序计数器用于存储CPU将执行下一条指令的“内存地址”。请注意，不会存储下一条要执行的指令。此时指令还在内存中，程序计数器只存储下一条指令的地址。指令寄存器用于存放程序计数器指向的指令，即指令本身。在执行指令之前，指令存储在这里。3.总线总线用于CPU与内存等设备之间的通信。总线可分为三种：地址总线，用于指定CPU将要操作的内存地址；数据总线，用于读写内存数据；控制总线用于发送和接收信号，例如中断、设备复位和其他信号。CPU收到信号后自然响应。这时，它还需要控制总线；当CPU要读写内存数据时，一般需要经过两条总线：一是通过“地址总线”指定内存的地址；然后通过“数据总线”传输数据；4、输入输出设备输入设备向计算机输入数据，计算机计算后将数据输出给输出设备。这期间，如果输入设备是键盘，需要在按键按下时与CPU进行交互，这时就需要控制总线。线路位宽和CPU位宽数据是如何通过地址总线传输的？其实就是通过工作电压，低电压表示0，高电压表示1。如果构造一个高、低、高等信号，其实就是101个二进制数据，即十进制表示5。如果只有一行，则表示一次只能传输1位数据，即0或1。那么传输101的数据。需要3次才能完成转账，效率很低。这种逐位的传输方式称为串行，下一位必须等待前一位传输完成后才能传输。当然，如果你想一次传输更多的数据，只需要加线，然后就可以并行传输数据了。为了避免低效的串行传输，线的位宽最好能一次访问所有的内存地址。CPU要操作的内存地址需要地址总线。如果只有一根地址总线，每次只能表示“0或1”，所以CPU一次只能操作2个内存地址；如果要让CPU去操作4G的内存，就需要32条地址总线，因为2^32=4G。知道了线路位宽的含义，我们再来看看CPU位宽。CPU的位宽不能小于线路的位宽。比如32位的CPU控制40位宽的地址总线和数据总线，工作起来会非常复杂和麻烦，所以32位的CPU最好搭配32位宽的线。匹配，因为一个32位的CPU最多只能操作32位宽的地址总线和数据总线。如果用32位的CPU来计算两个64位的数，需要把两个64位的数分成2个低位32位数和2个高位32位数来计算，先加两个低位32位数，计算进位，然后将两个高位32位数相加，最后加上进位，即可计算结果。可以发现32位的CPU无法计算出一次将两个64位的数相加的结果。.对于64位CPU来说，两个64位数相加的结果是可以一次性计算出来的，因为64位CPU一次可以读入64位数，而64位内部的逻辑运算单元CPU也支持64位数字的计算。但并不代表64位CPU的性能就比32位CPU高很多。很少有应用程序需要计算超过32位的数字，因此如果计算量不超过32位的数字，则32位和64位CPU没有区别。是的，64位的优势只有在计算32位以上的数时才能体现出来。另外，一个32位的CPU最多只能运行4GB的内存，即使你装了8GB的内存条也没用。64位CPU寻址范围大，理论上最大寻址空间为2^64。程序执行的基本过程在前面。我们知道程序在图灵机上的执行过程。接下来我们看看程序在冯·诺依曼模型上是如何执行的。程序其实就是一条指令，所以程序的运行过程就是一步步执行每一条指令，CPU负责执行指令。CPU执行程序的过程是这样的：首先CPU读取“程序计数器”的值，也就是指令的内存地址，然后CPU的“控制单元”操作“地址总线”"指定要访问的内存地址，然后通知内存设备准备数据。数据准备好后，命令数据通过“数据总线”传输给CPU。CPU从内存中接收到数据后，将命令数据存入“命令寄存器”。第二步，CPU对“指令寄存器”中的指令进行分析，确定指令的类型和参数。如果是计算型指令，则将指令交给“逻辑运算单元”进行运算；如果是存储型指令，则交给“控制单元”执行；第三步，CPU执行完指令后，“程序计数器”的值加1，表示指向下一条指令。这个自增的大小是由CPU的位宽决定的。例如对于32位CPU，指令为4个字节，需要4个内存地址存储，所以“程序计数器”的值会自增4；简单概括就是，当一个程序执行时，CPU会根据程序计数器中的内存地址，将要执行的指令从内存中读取到指令寄存器中执行，然后根据指令的长度递增到顺序读取下一条指令。CPU从程序计数器中读取指令，执行它们，然后继续执行下一条指令。这个过程会一直循环下去，直到程序执行结束。这种不断循环的过程称为CPU的指令周期。a=1+2执行具体过程了解了基本的程序执行过程后，接??下来以a=1+2为例进一步分析程序在冯·诺依曼模型中的执行过程。CPU不知道字符串a=1+2。这些字符串只是为了让我们的程序员理解。如果这个程序能够运行，就需要将整个程序翻译成汇编语言程序。这个过程称为编译成汇编代码。对于汇编代码，我们还需要使用汇编器将其翻译成机器码。这些机器码是由0和1组成的机器语言，每段机器码就是一条计算机指令。这才是CPU真正能够理解的。我们来看看a=1+2在32位CPU上的执行过程。程序编译时，编译器通过分析代码发现1和2是数据，所以程序运行时，内存中会有一块专门的区域存放这些数据，这块区域就是“数据段”。如下图数据1和2的区域位置：数据1存放在0x100；数据2存储在0x104；注意，数据和指令存放在不同的区域，存放指令区的地方叫做“文本域”。编译器会将a=1+2翻译成4条指令并将它们存储在文本字段中。如图，这4条指令存放在0x200~0x20c区域：0x200的内容是加载指令将地址0x100的数据1加载到寄存器R0中；0x204的内容是load指令加载地址为0x104的数据20x208的内容是add指令将寄存器R0和R1中的数据相加，结果存入寄存器R2；0x20c的内容是存储指令，将寄存器R2中的数据存储回数据段中的地址0x108，这个地址也是变量a内存中的地址；编译完成后，真正执行程序时，会将程序计数器设置到地址0x200，然后依次执行这4条指令。在上面的例子中，由于是在32位CPU上执行的，一条指令占用32位，所以你会发现每条指令之间有4个字节。数据的大小取决于您在程序中指定的变量类型。比如int类型的数据占4个字节，char类型的数据占1个字节。1.指令在上面的例子中，我针对图中指令的内容编写了简单的汇编代码。有对应的机器码，CPU通过解析机器码就知道了指令的内容。不同的CPU有不同的指令集，对应不同的汇编语言和不同的机器码。接下来选择最简单的MIPS指令集，看看机器码是如何生成的，这样就能理解二进制机器码的具体含义。MIPS的指令是一个32位的整数，高6位代表操作码，表示这条指令是一条什么样的指令，其余26位的内容对于不同的指令类型是不同的。主要有R、I、J三种类型，下面我们来详细了解一下这三种类型的含义：R指令，用于算术和逻辑运算，读写数据的寄存器地址。如果是逻辑位移操作，后面有位移操作的“位移量”，最后一个“功能码”是在前面的操作码不够用的时候，对操作码进行扩展，代表对应的具体指令;I指令，用在数据传输、条件分支等。对于这类指令，没有位移和操作码，也没有第三个寄存器。而是将这三部分直接组合成一个地址值或一个常量；J指令，用于跳转，高6位其余26位为跳转后的地址；接下来，我们将前面例子中的指令：“add指令将寄存器R0和R1的数据相加，结果放入R3”翻译成机器码。加法运算add指令属于R指令类型：add对应的MIPS指令中的opcode为000000，末尾的函数码为100000，这些值是固定的，查看MIPS指令集手册；rs表示第一个寄存器R0的编号，即00000；rt表示第二个寄存器R1的编号，即00001；rd表示目标的临时寄存器R2的编号，即00010；因为不是位移运算，所以位移为00000上面的数加起来就是一条32位的MIPS加法指令，用16进制表示的机器码就是0x00011020。编译器编译程序时，会构造指令。这个过程称为指令的编码。当CPU执行程序时，它会解析指令。这个过程称为指令译码。大多数现代CPU使用流水线来执行指令。所谓流水线就是把一个任务拆分成多个小任务，所以一条指令通常分为4个stage，称为4-stagepipeline，如下图所示：4个stage的具体含义：CPU读取通过程序计数器获取内存地址对应的指令，这部分称为Fetch（获取指令）；CPU对指令进行解码，这部分称为Decode（指令译码）；CPU执行指令，这部分称为Execution（执行指令）；CPU将计算结果存回寄存器或将寄存器的值存入内存，这部分称为Store（数据回写）；以上四个阶段，我们称之为指令周期（InstrutionCycle），CPU的工作是一个又一个周期，周而复始。其实不同的阶段其实是由计算机中不同的部件来完成的：在取指令阶段，我们的指令是存放在内存中的。实际上，通过程序计数器和指令寄存器取指令的过程是由控制器完成的。操作;指令的译码过程也由控制器完成；指令执行的过程，无论是算术运算、逻辑运算、数据传输，还是条件分支运算，都是由算术逻辑单元进行运算，即由运算符处理。但如果是简单的无条件地址跳转，则直接在控制器中完成，无需使用运算器。2、指令的种类指令从功能上可以分为5类：数据传输指令，比如store/load是寄存器和内存之间进行数据传输的指令，mov是将数据从一个内存地址移动到另一个内存地址地址说明；运算类指令，如加减乘除、位运算、比较等，最多只能处理两个寄存器中的数据；跳转型指令，通过修改程序计数器的值来跳转执行指令的过程，如编程中常见的if-else、swtich-case、函数调用等。信号型指令，如中断发生时的指令陷阱；空闲类型的指令，如指令nop，执行后CPU会空闲一个周期；3.指令的执行速度。CPU的硬件参数会有参数GHz，比如1GHz的CPU指的是1G的时钟频率，也就是说1秒会产生1G次的脉冲信号，每个高到-一个脉冲信号的低电平跳变为一个周期，称为一个时钟周期。对于CPU来说，在一个时钟周期内，CPU只能完成一个最基本的动作。时钟频率越高，时钟周期越短，工作速度越快。一条指令能否在一个时钟周期内执行？答案不一定。大多数指令不能在一个时钟周期内完成，通常需要几个时钟周期。不同的指令需要不同的时钟周期。加法和乘法都对应一条CPU指令，但乘法比加法需要更多的时钟周期。如何让程序运行得更快？程序执行时，消耗的CPU时间越少，说明程序运行速度快。对于程序的CPU执行时间，我们可以拆解成CPU时钟周期数（CPUCycles）和时钟周期时间（ClockCycleTime）。时钟周期时间就是我们前面提到的CPU的主频。主频越高，CPU工作得越快。比如我电脑的CPU是2.4GHz的四核IntelCorei5，这里的2.4GHz就是电脑的Mainfrequency，时钟周期时间是1/2.4G。想要CPU跑得更快，自然要缩短时钟周期时间，也就是提高CPU频率，但今天不是那一天，摩尔定律早就失效了，今天CPU频率翻倍很难.另外，换更好的CPU是我们软件工程师无法控制的。我们应该关注另一个倍增因素——CPU时钟周期数。如果可以减少程序所需的CPU时钟周期数，同样如此。可以提高程序的性能。对于CPU时钟周期数，我们可以进一步拆解为：“指令数×每条指令的平均时钟周期数（CyclesPerInstruction，简称CPI）”，因此CPU执行时间的公式为程序可以改成如下：因此，要想程序运行得更快，可以优化这三个：指令数表示执行程序需要多少条指令，需要哪些指令。这个级别基本上是编译器优化的。毕竟同样的代码，在不同的编译器中，编译出的计算机指令会有不同的表现形式。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。大多数现代CPU使用流水线技术（Pipline），使一条指令所需的CPU时钟周期数尽可能少；时钟周期时间表示计算机的主频取决于计算机硬件。一些CPU支持超频技术。开启超频意味着CPU的内部时钟调整得更快，所以CPU工作得更快，但这是有代价的。CPU运行速度越快，散热压力就越大，CPU很容易死机。很多厂商为了跑分而跑分，基本都是从这三个方面入手，尤其是超频。最后，我们来回答一下开头的问题。(1)64位CPU相比32位CPU有什么优势？64位CPU的计算性能一定比32位CPU高很多吗？64位CPU相对于32位CPU的优势主要体现在两个方面：64位CPU可以计算32位以上的数，32位CPU如果要计算32位以上的数，需要分多步计算，效率没有那么高，但是大部分应用很少计算这么大的数，所以只有计算数大的时候才能体现64位CPU的优势，否则，32位CPU的计算性能相差不大。64位CPU可以寻址更大的内存空间。32位CPU的最大寻址地址是4G。即使加8G内存，也只能寻址4G。64位CPU最大寻址地址为2^64，远远超过32位CPU最大寻址地址的2^32。(2)你知道32位和64位软件的区别吗？32位操作系统可以在64位计算机上运行吗？64位操作系统可以在32位计算机上运行吗？若否，原因为何？64位和32位软件其实代表的是指令是64位还是32位：如果在64位机器上执行32位指令，需要兼容机制来实现兼容运行。但是如果64位的指令在32位的机器上执行，就会比较困难，因为32位的寄存器不能存放64位的指令；操作系统其实就是一个程序，我们也会看到操作系统会分为32位操作系统，64位操作系统，它的代表意义就是程序在操作系统中的指令条数，比如作为64位操作系统，指令是64位的，所以不能安装在32位机器上。简而言之，硬件中的64位和32位是指CPU的位宽，软件中的64位和32位是指指令的位宽。
