重生之兽叱全球当我们运行Office Word的时候，双击就可以了。 由于软件是安装在硬盘上的，双击的时候，操作系统会根据文件路径找到exe程序在硬盘的位置，控制其代码从硬盘加载到内存，然后控制cpu从内存中读取刚刚读入内存的应用程序的代码执行，应用程序完成启动。即：一个程序开始的第一条指令存放的位置是由操作系统掌控的。那它是怎么完成程序的执行的呢？

　　图灵机是阿兰·图灵在24岁时提出的，发表在论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》。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。

　　「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；

　　「读写头」：读写头可以顺序读取纸带上格子的字符，也可以把字符写入到纸带的格子；

　　读写头部件：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；

　　图灵机只是一个抽象的模型，这个理想的模型是好，但是理想终归是理想，想要成为现实，我们得想其它办法。于是在此基础上，冯洛伊曼提出了电子计算机使用二进制数制系统和储存程序，并按照程序顺序执行，即冯诺依曼体系结构。

　　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。

　　因此，定义计算机基本结构就需要 5 个部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，这 5 个部分也被称为冯诺依曼模型。

　　冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础。在该体系结构下，程序和数据统一存储，指令和数据需要从同一存储空间存取，经由同一总线传输，无法重叠执行。根据冯诺依曼体系，CPU的工作分为以下 5 个阶段：取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。

　　· 取指令（IF，instruction fetch），即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。程序计数器中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当 一条指令被取出后，程序计数器（PC）中的数值将根据指令字长度自动递增。

　　· 指令译码阶段（ID，instruction decode），取出指令后，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类 别以及各种获取操作数的方法。现代CISC处理器会将拆分已提高并行率和效率。

　　· 执行指令阶段（EX，execute），具体实现指令的功能。CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

　　· 访存取数阶段（MEM，memory），根据指令需要访问主存、读取操作数，CPU得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。部分指令不需要访问主存，则可以跳过该阶段。

　　· 结果写回阶段（WB，write back），作为最后一个阶段，结果写回阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。结果数据一般会被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

　　在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就从程序计数器中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。 许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。

　　运算器、控制器是在中央处理器里的，存储器就我们常见的内存，输入输出设备则是计算机外接的设备，比如键盘就是输入设备，显示器就是输出设备。

　　存储单元和输入输出设备要与中央处理器打交道的话，离不开总线。所以，它们之间的关系如下图：

　　简称（RAM）专业的说内存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机所有的程序都是在内存中运行的，如果没有内存你的电脑将开不了机。

　　，1 字节等于 8 位（8 bit）。每一个字节都对应一个内存地址。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。

　　RAM的优点：是存取速度快、读写方便。缺点：是数据不能长久保持，断电后自行消失，因此主要用于计算机主存储器等要求快速存储的系统。按工作方式不同，可分为静态和动态两类。

　　静态随机存储器(SRAM)的单元电路是触发器，存入的信息在规定的电源电压下便不会改变。SRAM速度快，使用方便。

　　动态随机存储器(DRAM)的单元由一个金属-氧化物-半导体(MOS)电容和一个MOS晶体管构成，数据以电荷形式存放在电容之中，需每隔2～4毫秒对单元电路存储信息重写一次(刷新)。DRAM存储单元器件数量少，集成度高，应用广泛。

　　CPU：中央处理器，由运算器和控制器组成。计算机解决某个问题时要为它编写程序，它告诉计算机要执行什么操作，在什么地方来找到用来操作的数据一旦把程序加载到内存储器，CPU的基本工作是执行存储的指令序列，即程序。程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。

　　CPU从存放程序的主存储器里取出一条指令，译码并执行这条指令，保存执行结果，紧接着又去取指令，译码，执行指令……，如此周而复始，反复循环，使得计算机能够自动地工作。除非遇到停机指令，否则这个循环将一直进行下去。其过程如图所示

　　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。

　　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，用来存放当前正在执行的指令，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（Bus），是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。在城市中，车辆通行需要道路，需要交通。在计算机中，同样需要在各部件之间传输信息的通路，信息通过电线束从一个计算机部件到另一个部件，就称作总线，它是一种信号传递的布线方式。总线是用于 CPU 和内存以及其他设备之间的通信，总线按照不同的分类标准可以有不同的分类。按照传递的数据分可分为 3 种：

　　输入输出设备（IO设备），是数据处理系统的关键外部设备之一，可以和计算机本体进行交互使用。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. 线路位宽与 CPU 位宽

　　我们经常听到32位或64位计算机，32 位和 64 位 CPU 最主要区别在于一次能计算多少字节数据：

　　如果地址总线 条，那每次只能表示 「0 或 1」这两种地址，所以 CPU 能操作的内存地址最大数量为 2（2^1）个（注意，不要理解成同时能操作 2 个内存地址）；

　　如果地址总线 这四种地址，所以 CPU 能操作的内存地址最大数量为 4（2^2）个。

　　那么，想要 CPU 操作 4G 大的内存，那么就需要 32 条地址总线G。

　　CPU 位宽：CPU 的位宽最好等于线 位宽的地址总线和数据总线的话，处理比较麻烦。所以 32 位的 CPU 最好和 32 位宽的线 位的 CPU 最好和 64 位宽的线路搭配。但是并不代表 64 位 CPU 性能比 32 位 CPU 高很多，很少应用需要算超过 32 位的数字，所以

　　如果计算的数额不超过 32 位数字的情况下，32 位和 64 位 CPU 之间没什么区别的，只有当计算超过 32 位数字的情况下，64 位的优势才能体现出来

　　。另外，32 位 CPU 最大只能操作 4GB 内存，就算你装了 8 GB 内存条，也没用实质的作用。而 64 位 CPU 寻址范围则很大，理论最大的寻址空间为 2^64。

　　程序实际上就是把我们现实中的一个生活场景，通过计算机的编程语言搬到电脑中的一种实现方式罢了。程序实际上是一条一条指令，负责执行指令的就是 CPU 了。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。

　　现代大多数 CPU 都使用来流水线的方式来执行指令，所谓的流水线就是把一个任务拆分成多个小任务，于是一条指令通常分为 4 个阶段，称为 4 级流水线，如下图：

　　指令周期（Instrution Cycle），CPU 的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。

　　每个CPU都有一套自己可以执行的专门的指令集。接下来我们选用最简单的 MIPS 指集，来看看机器码是如何生成的。MIPS 的指令是一个 32 位的整数，高 6 位代表着操作码，表示指令类型，剩下的 26 位根据不同指令类型所表示的内容也就不相同，总结下来主要有三种类型R、I 和 J。具体含义：

　　R 指令：用在算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移操作的「位移量」，而最后的「功能码」则是再前面的操作码不够的时候，扩展操作码来表示对应的具体指令的；

　　I 指令：用在数据传输、条件分支等。这个类型的指令，就没有了位移量和功能码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成了一个地址值或一个常数；

　　编译器在编译程序的时候，会构造指令，这个过程叫做指令的编码。CPU 执行程序的时候，就会解析指令，这个过程叫作指令的解码。

　　CPU需要使用一个叫做存储器(也就是各种寄存器)的东西保存输入和输出数据。以下是几种常见的寄存器

　　· MAR: memory address register，保存将要被访问数据在内存中哪个地址处，保存的是地址值

　　· MDR: memory data register，保存从内存读取进来的数据或将要写入内存的数据，保存的是数据值

　　· AC: Accumulator，保存算术运算和逻辑运算的中间结果，保存的是数据值

　　· PC: Program Counter，保存下一个将要被执行指令的地址，保存的是地址值

　　最高速的缓存是CPU的寄存器，它们和CPU的材料相同，最靠近CPU或最接近CPU，访问它们没有时延(1ns)。但容量很小，小于1kb。32bit：32*32比特=128字节，64bit：64*64比特=512字节

　　数据传输：比如 store/load 是寄存器与内存间数据传输的指令，mov 是将一个内存地址的数据移动到另一个内存地址的指令；

　　跳转类型：通过修改程序计数器的值来达到跳转执行指令的过程，比如编程中常见的 if-else、switch-case、goto函数调用等。

　　CPU 的硬件参数都会有 GHz 这个参数，比 1 GHz 的 CPU指的是时钟频率是 1 G，代表着 1 秒会产生 1G 次数的脉冲信号，每一次脉冲信号高低电平的转换就是一个周期，称为时钟周期。

　　对于 CPU 来说，在一个时钟周期内，CPU完成一个指令时钟频率越高，时钟周期就越短，工作速度也就越快。一个时钟周期一定能执行完一条指令吗？答案是不一定的，大多数指令不能在一个时钟周期完成，通常需要若干个时钟周期。不同的指令需要的时钟周期是不同的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，但是乘法需要的时钟周期就要比加法多。

　　程序执行耗费的 CPU 时间少就说明程序执行的快。对于程序的 CPU 执行时间，我们可以拆解成

　　时钟周期时间就是 CPU 主频，主频越高说明 CPU 的工作速度就越快，比如电脑的 CPU 是 2.4 GHz 四核 Intel Core i5，这里的 2.4 GHz 就是电脑的主频，时钟周期时间就是 1/2.4G。

　　指令数 x 每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）」，于是程序的 CPU 执行时间的公式可变成如下：

　　指令数，表示执行程序所需要多少条指令，以及哪些指令。这个依赖编译器的优化。

　　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数，现代大多数 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU 时钟周期数尽可能的少；

　　因为我们输入的Hello，World是人可以阅读和编写的，但是机器并不能直接识别，它需要把这些文字翻译成机器可执行的二进制文件，这一部分的工作是由编译系统完成的。编译系统由预处理器、编译器、汇编器、连接器四部分组成。以hello， world程序为例，各部分共同完成将源文件编译成二进制可执行文件。各个部分完成的具体工作如下：

　　编译器：将预处理后的.i文件转换成汇编程序。编译器将不同的高级语言（如c语言，C++语言）转换成严格一致的汇编语言格式进行输出。汇编语言以标准的文本格式确切的描述每机器语言指令。编译器得到的文件通常以.s为后缀保存。

　　汇编器：将汇编语言（.s文件）翻译成机器语言指令，并将这些指令打包成一种可定位目标程序格式。汇编后得到的文件即为二进制文件，通常以.o为后缀。

　　链接器：Hello， World程序中调用过printf函数，它是一个c标准库里的函数。Printf函数存放在一个名为printf.o的单独预编译的文件中。而这个文件必须以适当的方式并入到我们的程序中，这个工作由链接器完成。将外部的.o文件并入后，得到一个完整的hello， world可执行文件。可执行文件加载到存储器后，由系统复制执行。

　　Shell：命令行解释器。当用户输入一行命令后，shell先判断它是不是一个shell内置命令；如果不是，shell会假定为一个可执行文件的名字，直接去加载并执行该文件。因此，当我们通过编译系统将源文件编译成可执行二进制文件后，在shell中输入我们得到的可执行二进制文件名，shell将其从磁盘中加载到主存当中，通过CPU进行解释运行，最终通过终端设备（屏幕）将他显示出来，程序运行结束。

　　操作：把两个寄存器的内容复制到ALU，ALU对两个字做算术运算后存回其中的一个寄存器，该寄存器中原来的值会被覆盖。

　　跳转：从cpu执行的指令抽取一个字的内容存入PC，覆盖掉原来的值，从而改变下一条要执行的指令，达到跳转的目的。