馮諾依曼模型

馮諾依曼模型主要由五部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備。

控制器（Control Unit）：從內存中取指令、翻譯指令、分析指令，然后根據(jù)指令的內存向有關部件發(fā)送控制命令，控制相關部件執(zhí)行指令所包含的操作。

運算器（ALU）：處理數(shù)據(jù)，完成各種算術運算和邏輯運算。

計算機運算時，運算器的操作對象和操作種類由控制器決定。運算器操作的數(shù)據(jù)從內存中讀取，處理的結果再寫入內存（或暫時放在內部寄存器中），而且運算器對內存數(shù)據(jù)的讀寫是由控制器來進行的。

存儲器（Memory）:存儲程序和各種數(shù)據(jù)。

• 內部存儲器（內存、主存）：存取速度快，容量小價格高。用來存放即將執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，可供CPU直接讀取。
  • 隨機存儲器（RAM）：可以被CPU隨機讀取（讀取任何一個地址數(shù)據(jù)的速度是一樣的，寫入任何一個地址數(shù)據(jù)的速度也是一樣的），一般存放CPU將要執(zhí)行的程序、數(shù)據(jù)，斷電丟失。
  • 只讀存儲器（ROM）：只能被CPU讀，不能輕易被CPU寫，用來存儲永久性的程序和數(shù)據(jù)，比如：系統(tǒng)引導程序、監(jiān)控程序等。掉電易失。
  • 高速緩存存儲器（cache）：Cache是計算機中的一個高速小容量存儲器，其中存放的是CPU近期要執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)，其存取速度可以和CPU的速度匹配，一般采用靜態(tài)RAM充當Cache。
• 外部存儲器：存取速度慢。用來存放暫時不用的程序和數(shù)據(jù)，可以和內存交換數(shù)據(jù)，不需要依賴電來存儲數(shù)據(jù)。如硬盤、光盤...

輸入設備與輸出設備：鼠標、鍵盤、顯示器、打印機等

存儲單元與輸入輸出設備要和中央處理器打交道的話離不開總線。所以他們的關系如下：

內存

我們的程序和數(shù)據(jù)都存儲在內存，存儲的區(qū)域是線性的。

在計算機數(shù)據(jù)存儲中，存儲數(shù)據(jù)的基本單位是字節(jié)（byte）, 1字節(jié) = 8 位(bit)。每個字節(jié)都對應一個內存地址。

內存的地址是從 0 開始編號的，然后自增排序，最后一個地址為內存總字節(jié)數(shù)-1，這種結構與程序中的數(shù)組類似，所以內存中讀寫任何一個數(shù)據(jù)的速度都是相同的。

中央處理器

中央處理器也就是CPU，32位和64位CPU的主要區(qū)別在于一次性能計算多少字節(jié)數(shù)據(jù)：

• 32位CPU一次可以計算4個字節(jié)
• 64位CPU一次可以計算8個字節(jié)

這里的32位和64位，通常稱為CPU的位寬，代表的是CPU一次可以計算(運算)的數(shù)據(jù)量。

之所以CPU要這樣設計，是為了能計算更大的數(shù)值，如果是8位CPU那么一次只能計算一個字節(jié)- 0~255范圍內的數(shù)值，這樣就無法完成1000*500的計算，為了能一次計算大數(shù)的運算，CPU需要支持多個byte一起計算，所以CPU位寬越大，可以計算的數(shù)值就越大，比如32位CPU能計算的最大整數(shù)是4294967295。

CPU內部還有一些組件，常見的有寄存器、控制單元和邏輯運算單元。其中，控制單元負責控制CPU的工作，邏輯運算單元負責計算，而寄存器可以分為多種類型，每種寄存器的功能不盡相同。

為什么有了內存還需要寄存器？

因為內存離CPU太遠了，而寄存器就在CPU內，緊挨著控制單元和邏輯運算單元，速度會更快。

常見寄存器種類：

• 通用寄存器，用來存放需要進行運算的數(shù)據(jù)，比如需要進行加和運算的兩個數(shù)據(jù)
• 程序計數(shù)器，用來存儲CPU要執(zhí)行的下一條指令[所在的內存地址]，注意不是存儲下一條要執(zhí)行的指令，此時指令還在內存中，程序計數(shù)器只是存儲了下一條指令[的地址]。
• 指令寄存器，用來存放當前正在執(zhí)行的指令，也就是指令本身，指令被執(zhí)行完之前都存儲在這里。

總線

總線是用于CPU和內存以及其他設備之間的同學，總線分為三種：

• 地址總線，用于指定CPU將要操作的內存地址
• 數(shù)據(jù)總線，用于讀寫內存的數(shù)據(jù)
• 控制總線，用于發(fā)送和接收信號，比如中斷、設備復位等信號

當CPU要讀寫內存數(shù)據(jù)的時候，一般需要通過下面這三個總線：

• 首先要通過[地址總線]來指定內存的地址
• 然后通過[控制總線]控制是讀或寫的命令
• 最后通過[數(shù)據(jù)總線]來傳輸數(shù)據(jù)

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線路位寬與CPU位寬

數(shù)據(jù)是如何通過線路傳輸?shù)哪?#xff1f;其實是通過操作電壓，低電壓表示0，高電壓表示1.

如果構造了 高低高 這樣的電壓，其實就是 101 二進制，十進制表示5，如果只有一條線路，就意味著每次只能傳遞1bit的數(shù)據(jù)，即0 或 1 ，那么傳輸 101 這個數(shù)據(jù)，就需要3次才能傳輸完成，這樣效率非常低。

這樣一位一位傳輸?shù)姆绞?#xff0c;稱為串行，下一個bit必須等待上一個bit傳輸完成才能進行傳輸。想一次傳多一些數(shù)據(jù)，增加線路即可，這時數(shù)據(jù)就可以并行傳輸。

為了避免低效率的串行傳輸方式，線路的位寬最好一次能夠訪問到所有的內存地址。

CPU想要操作[內存地址]就需要[地址總線]：

• 如果地址總線只有1條，那每次只能表示 [ 0 或 1]這兩種地址，所以CPU能操作的內存地址最大數(shù)量為 2 個。（不能理解為同時操作兩個內存地址）
• 如果地址總線有2條，那么能表示00、01、10、11四種地址，所以CPU能操作的內存地址最大數(shù)量為 4 個

那么，想要CPU操作4G的內存，就需要 32條地址總線。?

CPU的位寬最好不要小于線路的位寬 ，比如32位CPU控制40位寬的地址總線和數(shù)據(jù)總線的話，工作起來會非常麻煩，所以32位的CPU最好和32位寬的線路搭配，因為32位CPU一次最多只能操作32位寬的地址總線和數(shù)據(jù)總線。

如果用32位CPU去加和兩個64位大小的數(shù)字·，就需要把這兩個64位的數(shù)字分成2個低位32位數(shù)字和2個高位32位數(shù)字來計算，先加兩個低位的32位數(shù)字，算出進位，然后加和兩個高位的32位數(shù)字，最后再加上進位就能算出結果了，可以發(fā)現(xiàn)32位CPU并不能一次性算出加和兩個64位的數(shù)字的結果。

對于64位CPU就可以一次性算出加和兩個64位數(shù)字的結果，因為64位CPU可以一次讀入64位的數(shù)字，并且64位CPU內部的邏輯運算單元也支持64位數(shù)字的計算。

但是并不代表64位CPU性能比32位CPU高很多，很少應用需要算超過32位的數(shù)字，所以如果計算的數(shù)額不超過32位數(shù)字的情況下，32位和64位CPU之間沒什么區(qū)別，只有當計算超過32位數(shù)字的情況下，64位的優(yōu)勢才能體現(xiàn)出來。

另外，32位CPU最大只能操作4GB內存，就算裝了8GB的內存條，也沒用。而64位CPU尋址范圍則很大，理論最大尋址空間為.

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程序執(zhí)行的基本過程

程序實際上是一條一條的指令，所以程序的運行過程就是把每一條指令一步一步的執(zhí)行起來，負責執(zhí)行指令的就是CPU。

?CPU執(zhí)行程序的過程如下：

1. CPU讀取[程序計數(shù)器]的值，這個值是指令的內存地址，然后CPU的[控制單元]操作[地址總線]指定需要訪問的內存地址，接著通知內存設備準備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準備好后通過[數(shù)據(jù)總線]將指令數(shù)據(jù)傳給CPU，CPU收到內存?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)后，將這個指令數(shù)據(jù)存入到[指令寄存器]。
2. [程序計數(shù)器]的值自增，表示指向下一個指令[地址]。這個自增的大小由CPU的位寬決定，比如32位的CPU，指令是4個字節(jié)，需要4個內存地址存放，因此[程序計數(shù)器]的值會加4。
3. CPU分析[指令寄存器]中的指令，確定指令的類型和參數(shù)，如果是計算類型的指令，就把指令交給[邏輯運算單元]運算；如果是存儲類型的指令，則交由[控制單元]執(zhí)行。

總結：一個程序執(zhí)行的時候，CPU會根據(jù)程序計數(shù)器的內存地址，從內存里面把需要執(zhí)行的指令讀到指令寄存器里面執(zhí)行，然后根據(jù)指令長度自增，開始順序讀取下一條指令。

CPU從程序計數(shù)器讀取指令、到執(zhí)行、再到下一條指令，這個過程會不斷循環(huán)，直到程序結束，這個不斷循環(huán)的過程被稱為CPU的指令周期

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a = 1 + 2的具體執(zhí)行過程

CPU是不認識 a = 1 + 2 這個字符串的，這些字符串只是方便我們認識，想要這段程序能跑起來，還需要把整個程序翻譯成匯編語言的程序，這個過程被稱為編譯

除此之外，我們還需要用匯編器翻譯成機器碼，這些機器碼由 0 和 1 組成機器語言，這一條條機器碼，就是一條條的計算機指令，這個才是CPU認識的東西。

?a = 1 + 2 在32位CPU的執(zhí)行過程。

程序編譯過程中，編譯器通過分析代碼，發(fā)現(xiàn) 1 和 2 是數(shù)據(jù)，于是程序運行時，內存會有一個專門的區(qū)域來存放這些數(shù)據(jù)，這個區(qū)域就是[數(shù)據(jù)段]。

• 數(shù)據(jù)1被存放到0x200位置
• 數(shù)據(jù)2被存放到0x204位置

數(shù)據(jù)和指令是分開存放的，存放數(shù)據(jù)的區(qū)域稱為[數(shù)據(jù)段]，存放指令的區(qū)域稱為[正文段]。

編譯器會把 a = 1 + 2 翻譯成 4 條指令，存放到正文段中。如圖，這4條指令被存放到了0x100~0x10c的區(qū)域中：

• 0x100的內容是 load 指令將0x200地址中的數(shù)據(jù) 1 裝入到寄存器 R0 ；
• 0x104的內容是 load 指令將0x204地址中的數(shù)據(jù) 2 裝入到寄存器 R1 ；
• 0x108的內容是 add 指令將寄存器 R0 和 R1 的數(shù)據(jù)相加，并把結果存放到寄存器 R2 ；
• 0x10c的內容是 store 指令將寄存器 R2 中的數(shù)據(jù)存回數(shù)據(jù)段中的0x208地址中，這個地址也就是變量 a 內存中的地址；

編譯完成后，具體執(zhí)行程序的時候，程序計數(shù)器會被設置為0x100地址，然后依次執(zhí)行這4條指令。（上面的例子中，由于是在32位CPU執(zhí)行的，因此指令是占32位大小，所以每條指令的地址隔4個字節(jié)。數(shù)據(jù)的大小事根據(jù)程序中指定的變量類型，比如 int 類型的數(shù)據(jù)占4個字節(jié)，char類型的數(shù)據(jù)占1個字節(jié)）

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總結

64位相比32位優(yōu)勢在哪？ 64位CPU性能一定比32位CPU高很多嗎？

64位相比32位CPU的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：

• 64位CPU可以一次計算超過32位的數(shù)字，而32位CPU如果要計算超過32位的數(shù)字，要分多步驟進行計算，效率就沒那么高，但是大部分應用程序很少會計算那么大的數(shù)字，所以只有運算大數(shù)字的時候，64位CPU的優(yōu)勢才能體現(xiàn)出來，否則和32位CPU的計算性能相差不大。
• 通常來說64位CPU的地址總線是48位，而32位CPU的地址總線是32位，所以64位CPU可以尋址更大的物理內存空間。如果一個32位CPU的地址總線是32位那么該CPU的最大尋址能力是4G，即使使用8G大小的內存，也還是只能尋址到4G大小的地址，而如果一個64位CPU的地址總線是48位，那么該CPU的最大尋址范圍是,遠超于32位CPU的最大尋址能力。

32位軟件和64位軟件的區(qū)別？32位操作系統(tǒng)能夠運行在64位電腦上嗎？

64位和32位軟件，實際上代表指令是64位還是32位：

• 如果32位指令在64位機器上執(zhí)行，需要一套兼容機制就可以做到兼容運行了。但是如果64位指令在32位機器上運行，就比較困難，因為32位寄存器存不下64位的指令。
• 操作系統(tǒng)其實也是一種程序，操作系統(tǒng)也分為32位和64位，其代表的意思就是操作系統(tǒng)中程序的指令是多少位，64位操作系統(tǒng)指令為64位，不能裝在32位的機器上。

硬件的64位和32位指的是CPU的位寬，軟件的32位和64位指的是指令的位寬。