计算机基础学习笔记：操作系统篇之硬件结构，CPU的基本工作原理

Posted 2022-12-19 adventure.Li

一、CPU的是如何运行程序的？

本文知识来源小林Coding阅读整理思考，原文链接请见以下：
https://xiaolincoding.com/os/1_hardware/how_cpu_run.html#图灵机的工作方式

问题引入

• 程序的执行过程？例如 1+2 的具体过程是怎么样的？【→ 网络请求过程，HTTP浏览器输入url的具体执行流程】
• 位宽的概念：32、64位的OS、CPU的对比、区别，和计算能力的关系？

注：分析事物，先理清它的逻辑链，即行为，通过行为分析属性，抓本质原理。

相关知识点：

• CPU的组成、计算机组成原理；汇编语言（HCL

学习目标：

• 理解软硬件的结合，软件的抽象过程
• 在理解CPU的执行过程后，去分析 JVM 抽象层，再加入该抽象层之后，Java程序的执行逻辑又怎么样的？ CPU作为最底层的工作助手，复用性最高，它是怎么去为上层保证可靠的服务，怎么去实现缓存一致性等问题（后续章节，此处暂不探讨），可借鉴至上层软件使用。

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计算机的工作原理

• 图灵机
• 冯洛伊曼机

图灵机

https://baike.baidu.com/item/图灵机/2112989?fr=aladdin

为解决复杂繁琐、重复的计算问题【基本需求，计算机最初的目标也只是科学计算，随着后续的发展，抽象出来了丰富的应用软件、系统软件】，**1936年，**图灵提出来了 图灵机 模型 【只是理论的模型】，现代的计算机也根据该模型进行构建。

它有一条无限长的纸带【对应现在的内存，抽象人类的记忆存储】，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色【去模拟数据\\程序，抽象人类捕捉到世界的信息】。有一个机器头【读写，抽象人类操作信息的工具，读→眼睛\\耳朵获取信息，写→分析并记忆与脑海】在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。

基本组成：

• 纸带
• 机器头
• 机器头内部状态，固定抽象，程序表，比如存储单元、控制单元以及运算单元

思考：

1. 为什么图灵设计的是单纸带、读写头？且无限长、有序地去移动？

来源于时间序列？人们生活在一个线性的时间序列之中，纸带好比一个无限的时间流失，每一个格子则是该时刻捕获到的信息。而图灵机抽象的是 个人 而非人群（人群对比若系统网络、机器集群等，共同协作）。

1. 机器头，读写 抽象？

读写是操作信息的行为抽象，而数据结构操作可在此基础上进行抽象为CRUD，主要是对写的抽象、细化。结合思考 并发控制，为什么读 同一资源 可以同时，互不影响，写 则可能存在影响。物体的状态性?同一时刻只能存在一种状态？【来源于物理世界】

多个粒子可以同时处于多个不同状态,一个粒子不同时刻也可以处于多个不同状态,但一个粒子同一时刻只能处于一种状态,即状态不能叠加。

1+2程序示例

• 读写头读取纸带上的数据，分析数据，获取信息。【对于该种数字运行，可抽象为数字和运算符，机器头内部会根据不同的数据做出对应的处理，例如数字则读取写入即可，遇到运算符则，进行控制器处理，再调用相关的运算器进行运算，得出结果 再写回】
• 思考，结合编译原理，去思考 token流，词法、语法、语义构建，如何通过字符编码等技术将0、1计算抽象为丰富的应用程序。

冯洛伊曼机

https://baike.baidu.com/item/冯·诺依曼机/59369302?fromModule=search-result_lemma

**1945年，时隔9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。在图灵机基础上，提出了指令与数据都以二进制式储存在存储器里；指令根据其储存的顺序执行，采用电子元件结构设计【数字电路、模拟电路的发展，电的发展，传播快，易处理】。

关键组成：

• 运算器、控制器
• 存储器
• IO（输入输出设备）

存储器

此处对应的应该则是内存。

• 程序和数据（类型划分，指令、数据）都是存储在内存，存储的区域是线性的
• 基本单位：字节（对应8bit），每一个字节都对应一个内存地址。【字、字节、bit的概念】

对于32位计算机与64位计算机，字的大小往往不同。

32位计算机：1字=32位=4字节，64位计算机：1字=64位=8字节

注：

• 理解 存储对指令、数据的类型划分，与编程语言 对 类型体系的划分（例如int，long）【个人理解，该种语言一般为强语言类型，静态语言，减少运行时检查开销，方便内存变量布局】
• 对内存、存储数据量大小的敏感度（一般现有计算机 内存 4-32G 、磁盘上TB，对应用软件程序大小，DB文件存储大小，数据规模）
• 对不同存储层次访问速度的、时间敏感度

CPU

https://baike.baidu.com/item/中央处理器/284033?fromModule=lemma_search-box&fromtitle=CPU&fromid=120556

• 运算器（加法器、
• 控制器
• 寄存器（IR，通用寄存器） - 汇编则可直接操作

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。

总线

• 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【读写命令】，比如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后自然进行响应，这时也需要控制总线；

IO

线路位宽、CPU位宽概念

由总线的概念可知，计算机操控数据通过数据总线进行传输数据，控制总线进行控制，一条线则只能读写一位数据（由于冯洛伊曼设计采用电路结构，二进制设计，高低电平去表示1,0）。

CPU一次性可操作的数据量则为 min(2^{线路位宽，2}CPU位宽）

对于线路64bit，CPU32bit，去操作 64位的数据，那么则需要进行拆分地位操作。

常识补充：

https://baike.baidu.com/item/64位操作系统/9195739?fromModule=search-result_lemma

简单的说x86代表32位操作系统 x64代表64位操作系统。如果你的CPU是双核以上，那肯定支持64位操作系统了。如果你的电脑内存大于4G，那就要用64位的系统了，因为32位的Windows 7也好，Vista也好，最大都只支持3.25G的内存。而64位的windows 7最大将支持128G的内存

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CPU的执行过程

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。

• 第一步，CPU 读取「程序计数器」的值，这个值是指令的内存地址，然后 CPU 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 CPU，CPU 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，「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 CPU 的位宽决定，比如 32 位的 CPU，指令是 4 个字节，需要 4 个内存地址存放，因此「程序计数器」的值会自增 4；
• 第三步，CPU 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；

程序（1+2）的指令过程

关键步骤

• 程序（1+2），以高级语言程序（C++)为例，机器是不识别字符串的，需通过编译器进行编译处理（涉及编译原理知识） ，加工为汇编语言（对于Java类，涉及JVM中间层处理，略有区别）
• 汇编语言 可直接操作硬件，寄存器，但是汇编语言也是辅助符号，机器也不能直接识别，机器只能识别 01二进制，于是 在通过 汇编器 产生为 目标程序（二进制），但是此刻还存在一些文件引入问题，还不能直接执行，
• 最后链接器，进行可执行文件，执行

编译器做了什么？

程序编译过程中，编译器通过分析代码【词法、语法 — flex,bison,DB数据库设计分析SQL时，则采用相应的词法、语法分析工具去构建】，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」。

• 划分 数据段 和 正文段 ；将数据和指令进行分离，并将其内容放在对应位置【指令间隔由类型情况去区分】
• 设置程序计数器的地址

指令、指令集

指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统

形成汇编程序之后，由于CPU的不同，采用的指令集也可能不同，汇编语言也会有所不同。

CPU的操作也是由厂商制定时设计好了\\选用了相应的指令集（也需要一套API集合），供上层使用，而上层的操作系统采用汇编进行对CPU的直接操作，OS再对其进行进一步封装，提炼抽象出OS一套的API，供上层应用、系统级软件使用。这样一过程则是层层封装、抽象的过程。

→任何问题都能通过加一个抽象层解决！

指令集

• 复杂指令集
• 精简指令集

RISC指令集是以后高性能CPU的发展方向。它与传统的CISC(复杂指令集)相对。相比而言，RISC的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。使用RISC指令集的体系结构主要有ARM、MIPS。MIPS 指令集是最早实现商用的精简指令集（RISC）之一

MIPS 的指令是一个 32 位的整数，高 6 位代表着操作码，表示这条指令是一条什么样的指令，剩下的 26 位不同指令类型所表示的内容也就不相同，主要有三种类型R、I 和 J。

• 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；
• J 指令，用在跳转，高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址；

程序执行速度

时钟周期时间就是我们前面提及的 CPU 主频，主频越高说明 CPU 的工作速度就越快，例如的电脑的 CPU 是 2.4GHz，这里的 2.4 GHz 就是电脑的主频，时钟周期时间就是 1/2.4G。ns级别

可写一段程序去分析一下指令数，以及看看运行的情况。

指令数 x 每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）= CPU时钟指令周期数

• 指令数，表示执行程序所需要多少条指令，以及哪些指令。这个层面是基本靠编译器来优化，毕竟同样的代码，在不同的编译器，编译出来的计算机指令会有各种不同的表示方式。【对于软件开发工程师，则需要考虑时间复杂度，尽可能少的执行指令，减少指令数】
• 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；
• 时钟周期时间，表示计算机主频，取决于计算机硬件。有的 CPU 支持超频技术，打开了超频意味着把 CPU 内部的时钟给调快了，于是 CPU 工作速度就变快了，但是也是有代价的，CPU 跑的越快，散热的压力就会越大，CPU 会很容易奔溃。