硬件结构

冯诺依曼模型
1945年，冯诺依曼和其他计算机科学家提出了计算机具体实现的报告，遵循了图灵机的设计，提出用 电子元件 构造计算机，并约定用二进制进行计算和存储，将计算机基本结构分为5部分：中央处理器，内存，输入设备，输出设备，总线

内存

程序和数据都存储在内存，内存的区域是线性的类似于数组（所以内存的读写任何1个数据的速度都是一样的），内存中的数据存储单位是bit，即0或1，最小的存储单位为字节byte，1byte=8bit
内存地址自增且从0开始编号，最大地址为内存总字节数-1，

CPU

平常所说的32位cpu，64位cpu称之为cpu的位宽，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位位宽的cpu一次可以计算4个字节
• 64位位宽的cpu一次可以计算8个字节
  cpu之所以这么设计是为了计算更大的数值，如果是8位位宽cpu，1次只能计算1个字节，而
  1个字节为8个二进制位，最小为0000 0000，最大为1111 1111，最小即0，最大为，这样无法一次完成计算超过0~255范围内的数值

于是为了能一次计算大的数值，cpu需要支持多个字节一起计算，cpu位宽越大，可计算数值越大，比如32位cpu最大能一次计算的整数为2^32-1

cpu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 CPU工作，逻辑运算单元负责计算，而寄存器可以分为多种类，每种寄存器的功能不相同

CPU 中的寄存器主要作用是存储计算时的数据
问题：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 里面，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。常见寄存器如下：

• 通用寄存器：存储需要运算的数据，如1+2里面的1和2
• 程序计数器：存储cpu要执行的下一条指令所在的内存地址，注意不是存储了指令本身，指令本身还在内存里
• 指令寄存器：存储了程序计数器指向的指令本身，指令被执行完成之前，都存储在这里

总线

总线用于CPU和存储单元（如内存）以及其他设备之间通信，可以参照上面的图片，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收到信号后进行响应，响应的时候也需要控制总线

输入、输出设备

输入设备向计算机输入数据，计算机运算完毕后向输出设备输出数据。输入设备是键盘的话，按下按键的时候是需要和cpu进行交互的，此时用到控制总线

总线位宽与cpu位宽的关系
数据是通过操作电压的方式在总线上进行传输，低电压表示0，高电压表示1，比如十进制的7表示成2进制就是111
如果只有一条总线，那么传输111，这个数据需要传输3次，因为每次只能传递1bit的数据，这样一位一位传输的方式，称为串行，下一个bit必须等待上一个bit传输完成才能进行传输

要想传输的数据多，那么最简单的办法就是增加线路，避免低效率的串行传输，线路的位宽最好能访问所有的内存地址，如果地址总线只有1条，那么只能传送0或者1，那么cpu一次只能访问0位置内存地址和1位置内存地址，2个地址。如果有2条，那么能同时传送2bit的数据，能寻址2^{2=4个内存地址(00,01,10,11)，如果cpu要寻址4G内存地址，那么需要32根地址总线，因为2}32=4G

对于 64 位 CPU 就可以⼀次性算出加和两个 64 位数字的结果，因为 64 位 CPU 可以1次读出64 位的数字，并且 64 位 CPU 内部的逻辑运算单元也支持 64 位数字的计算

但不代表 64 位 CPU 性能比32 位 CPU高很多，很少需要算超过 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

32位cpu最大只能操作4G内存，即便安装了8G内存，因为寻址不到，也没用。而64位cpu最大寻址空间为2^64

cpu的指令周期
即cpu执行程序的步骤

1. cpu读取程序计数器获取要执行的指令地址，然后由控制单元操作地址总线找到指令的内存地址位置，然后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收到指令数据后，存储到指令寄存器
2. cpu分析指令寄存器中的指令，确定指令的类型和参数，如果为计算类型指令，交由逻辑运算单元处理，如果为存储指令交由控制单元处理
3. cpu执行完指令后，程序计数器值自增，指向下一条指令
   简单总结就是，一个程序执行的时候，CPU 会根据程序计数器里的内存地址，从内存中把需要执行的指令读取到指令寄存器中执行，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执行过程

1. 首先将程序代码翻译成汇编语言程序-> 编译成汇编代码
2. 使用汇编器翻译成机器码，机器码由0,1组成，一条条机器码，就是一条条计算机指令，这才是cpu能够认识的东西

内存中存放指令的地方叫正文段，存放数据的地方叫数据段
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」

指令和数据在内存中的存放
指令
指令的内容是一串二进制数字的机器码，每条指令都有对应的机器码，CPU 通过解析机器码来知道指令的内容。不同的 CPU 有不同的指令集，也就是对应着不同的汇编语言和不同的机器码

指令分为5大类

• 数据传输类型的指令：比如store/load是寄存器与内存间数据传输的指令，mov是将将⼀个内存地址的数据移动到另一个内存地址的指令
• 运算类型的指令：比如加减乘除、位运算、比较大小等等，它们最多只能处理两个寄存器中的数据
• 跳转类型的指令：通过修改程序计数器的值来达到跳转执行指令的过程，比如程序中常见的if-else，switch-case，函数调用等
• 信号类型的指令：比如发生中断的指令trap
• 闲置类型的指令：如nop，执行后cpu会空转一个周期

指令的执行速度
CPU 的硬件参数都会有 GHz 这个参数，比如1个 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
周期之间的关系

• 指令周期：取出并执行一条指令的时间。
• CPU周期：一条指令执行过程被划分为若干阶段，每一阶段完成所需时间。
• 时钟周期：又称震荡周期，是处理操作的最基本单位。

对于一个指令周期来说，我们取出一条指令，然后执行它，至少需要两个 CPU 周期。取出指令至少需要一个 CPU 周期，执行至少也需要一个 CPU 周期，复杂的指令则需要更多的 CPU 周期。而一个CPU周期是若干时钟周期之和

如何让程序跑的更快
程序执行的时候，耗费的 CPU 时间少就说明程序是快的，对于程序的 CPU 执行时间，我们可以拆解成CPU 时钟周期数（CPU Cycles）和时钟周期时间（Clock Cycle Time）的乘积
程序的cpu执行时间=CPU 时钟周期数 x 时钟周期时间