程序在计算机中是如何运行的？搞懂内存和CPU

Posted 2022-01-03 Firm陈

1.程序在计算机中是如何运行的？

• 运算器
• 控制器
• 存储器
• 输入设备
• 输出设备

在计算机中，保存信息主要靠存储器，而存储器又分为内部存储器和外部存储器，内部存储器就是内存，外部存储器主要就是磁盘，磁盘又分为硬盘和软盘，而我们电脑中的大部分是硬盘，这里也分为固态硬盘和传统机械硬盘。

2.CPU和内存

3.内存是什么？
内存条，我们电脑中的内存条，它是属于内部存储器，主要就是用来存放数据的，也可以理解为我们这里说的内存，这是实际存在的，我们可以看得见的内存条，但是关于数据存储，怎么存储，我们抽象点儿来说，这个内存其实就是一个个的小格子，就像这样：

这些小格子就是用来存放数据和指令的，而且每个格子都有自己的编号，这个编号大家也熟悉，就是我们经常说的内存地址。

另外你需要知道的是，计算机是只认识0和1的，所以存放在内存中的数据其实都是二进制文件了。

4.CPU是什么？
其实关于内存，先了解上面那些就足够了，内容比较多的就是CPU了，大家都听说过CPU就相当于人的大脑一样，对电脑来说，至关重要。
对于CPU，你必须了解的两个东西，一是寄存器，另外一个是运算器。

5.CPU的特点
对于CPU来说，必须要把数据读取到寄存器中才能做相应的运算，另外CPU的数据读写的速度是真的快，内存和硬盘根本没法比。

CPU执行一条指令大约需要耗时1ns，但是对于内存呢？它去硬盘读取数据至少8ms，在这段时间内，CPU可以执行大约800万条指令。

就像《码农翻身》一书中说的那样：CPU的运算速度快的丧心病狂，但是它能做的事情简单的令人发指.

别看CPU那么牛，那么复杂，那么快，它做的事情真的挺无聊的，总结起来，CPU主要就干如下四件事情：

• 从内存中读取数据，然后放到寄存器中
• 把寄存器中的数据写入到内存
• 进行数学运算和逻辑运算（加减乘除，AND,OR）
• 依据相应的条件进行跳转，执行其他指令（一条指令跳转到另外一条指令）

6.CPU的重点组成部分

• 寄存器
• 运算器

首先你得知道他们是CPU中的东西，这个寄存器，说白了就是存放数据的，是个存储部件，还记得之前说内存就是一个个的小格子吗？这个寄存器你就可以简单的想成也是小格子，放数据的。

寄存器
寄存器是存储部件，容量非常有限，能存储的数据的大小，现在来说一般有两种，也就是我们常听说的32位和64位，32位的寄存器就能存储4个字节的数据，64位的寄存器就能存储8个字节的数据，另外CPU也分为32位和64位其实就是由其中的寄存器的位数决定的，可想而知，即使是64位的寄存器也干不了啥大事，所以，现在的CPU一般都内置了很多的寄存器，依此来完成比较复杂的操作。

运算器
另外一个就是运算器了，这个是计算的核心，主要的作用就是用来做加减乘除这些运算的，不过，这里你需要知道的一点就是，运算器是没法直接操作内存中的数据的，很容易想到，运算器操作的数据是寄存器中存放的数据。

CPU和内存的交互
简单的了解了内存和CPU之后，我们就可以来看看程序代码是如何进一步被执行的，上面提到了，程序代码被读取到内存中了，现在要执行这段代码，那就需要CPU出马了，首先，CPU会去读取需要进行操作的数据，对了，继续看这代码：

public class HelloWorld 
    public static void main(String[] args) 
        int a = 5;
        int b = 3;
        sum = a + b;
        System.out.println(sum); 
    

也就是需要读取数据a和b，那么读取到的数据a和b存放在哪了呢？根据我们上面对CPU简单的了解可知，数据a和b是被放到了CPU中的寄存器中了，看这个图:

在CPU中有两个比较重要的组件就是运算器和寄存器，寄存器有很多个，再看内存，是一个个的小格子，每个格子有编号，比如说现在数据a和b分别存放在#1和#2上，然后CPU将他们读取放在寄存器R1和R2上

这个时候就要计算a和b的和了，然后就轮到运算器出马了，它会拿到寄存器R1和R2，也就是拿到数据a和b，然后做加法运算

那么计算之后的结果也就是sum，运算器会再次把它放到寄存器，比如R1中，这个时候之前的数据b就会被覆盖，如此一来，CPU和内存就一起完成一次加法运算操作。
这里其实我们把关注点聚焦到了加法运算操作，实际上，程序代码被装载进内存的时候会产生数据和指令两部分，数据我们都知道是啥，指令呢？

其实也好理解，指令就是说明程序该怎么执行，对于CPU来说就是告诉CPU该做什么，比如告诉CPU，读取数据a和b，然后再将他们相加，说白了，CPU是根据指令干活的，指令让怎么干，咱就怎么干。因此，你必须告诉CPU该干啥，否则，CPU也不清楚。

上面的简单介绍后，我们看看CPU主要做的四件事情：

• 从内存中读取数据，然后放到寄存器中
• 把寄存器中的数据写入到内存
• 进行数学运算和逻辑运算（加减乘除，AND,OR）
• 依据相应的条件进行跳转，执行其他指令（一条指令跳转到另外一条指令）

总的来说，就是我们写的程序是放在硬盘中的，在运行的时候才会被加载到内存中，也就是说内存中的数据都是从硬盘来的，而CPU中寄存器的数据又是从内存中装载进来的，然后CPU会根据相应的指令去操作寄存器中的数据，比如四则运算什么的，来完成一个程序在计算机中的运行。

总结：本身程序是在硬盘上，启动程序之后，操作系统会开辟一个进程（一定的内存空间），然后将程序加载进内存，加载进内存的程序都是二进制文件。cpu通过寄存器拿到内存中的数据进行处理，处理完之后再将数据通过寄存器交给内存。