CPU 執行程式的秘密，藏在了這 15 張圖里

前言

代碼寫了那么多，你知道 a = 1 + 2 這條代碼是怎么被 CPU 執行的嗎？

軟體用了那么多，你知道軟體的 32 位和 64 位之間的區別嗎？再來 32 位的作業系統可以運行在 64 位的電腦上嗎？64 位的作業系統可以運行在 32 位的電腦上嗎？如果不行，原因是什么？

CPU 看了那么多，我們都知道 CPU 通常分為 32 位和 64 位，你知道 64 位相比 32 位 CPU 的優勢在哪嗎？64 位 CPU 的計算性能一定比 32 位 CPU 高很多嗎？

不知道也不用慌張，接下來就循序漸進的、一層一層的攻破這些問題，

正文

圖靈機的作業方式

要想知道程式執行的原理，我們可以先從「圖靈機」說起，圖靈的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數學運算的程序，而且還定義了計算機由哪些部分組成，程式又是如何執行的，

圖靈機長什么樣子呢？你從下圖可以看到圖靈機的實際樣子：

圖靈機的基本組成如下：

• 有一條「紙帶」，紙帶由一個個連續的格子組成，每個格子可以寫入字符，紙帶就好比記憶體，而紙帶上的格子的字符就好比記憶體中的資料或程式；
• 有一個「讀寫頭」，讀寫頭可以讀取紙帶上任意格子的字符，也可以把字符寫入到紙帶的格子；
• 讀寫頭上有一些部件，比如存盤單元、控制單元以及運算單元：
  1、存盤單元用于存放資料；
  2、控制單元用于識別字符是資料還是指令，以及控制程式的流程等；
  3、運算單元用于執行運算指令；

知道了圖靈機的組成后，我們以簡單數學運算的 1 + 2 作為例子，來看看它是怎么執行這行代碼的，

• 首先，用讀寫頭把 「1、2、+」這 3 個字符分別寫入到紙帶上的 3 個格子，然后讀寫頭先停在 1 字符對應的格子上；

• 接著，讀寫頭讀入 1 到存盤設備中，這個存盤設備稱為圖靈機的狀態；

• 然后讀寫頭向右移動一個格，用同樣的方式把 2 讀入到圖靈機的狀態，于是現在圖靈機的狀態中存盤著兩個連續的數字， 1 和 2；

• 讀寫頭再往右移動一個格，就會碰到 + 號，讀寫頭讀到 + 號后，將 + 號傳輸給「控制單元」，控制單元發現是一個 + 號而不是數字，所以沒有存入到狀態中，因為 + 號是運算子指令，作用是加和目前的狀態，于是通知「運算單元」作業，運算單元收到要加和狀態中的值的通知后，就會把狀態中的 1 和 2 讀入并計算，再將計算的結果 3 存放到狀態中；

• 最后，運算單元將結果回傳給控制單元，控制單元將結果傳輸給讀寫頭，讀寫頭向右移動，把結果 3 寫入到紙帶的格子中；

通過上面的圖靈機計算 1 + 2 的程序，可以發現圖靈機主要功能就是讀取紙帶格子中的內容，然后交給控制單元識別字符是數字還是運算子指令，如果是數字則存入到圖靈機狀態中，如果是運算子，則通知運算子單元讀取狀態中的數值進行計算，計算結果最侄訓傳給讀寫頭，讀寫頭把結果寫入到紙帶的格子中，

事實上，圖靈機這個看起來很簡單的作業方式，和我們今天的計算機是基本一樣的，接下來，我們一同再看看當今計算機的組成以及作業方式，

馮諾依曼模型

在 1945 年馮諾依曼和其他計算機科學家們提出了計算機具體實作的報告，其遵循了圖靈機的設計，而且還提出用電子元件構造計算機，并約定了用二進制進行計算和存盤，還定義計算機基本結構為 5 個部分，分別是中央處理器（CPU）、記憶體、輸入設備、輸出設備、總線，

這 5 個部分也被稱為馮諾依曼模型，接下來看看這 5 個部分的具體作用，

記憶體

我們的程式和資料都是存盤在記憶體，存盤的區域是線性的，

資料存盤的單位是一個二進制位（bit），即 0 或 1，最小的存盤單位是位元組（byte），1 位元組等于 8 位，

記憶體的地址是從 0 開始編號的，然后自增排列，最后一個地址為記憶體總位元組數 - 1，這種結構好似我們程式里的陣列，所以記憶體的讀寫任何一個資料的速度都是一樣的，

中央處理器

中央處理器也就是我們常說的 CPU，32 位和 64 位 CPU 最主要區別在于一次能計算多少位元組資料：

• 32 位 CPU 一次可以計算 4 個位元組；
• 64 位 CPU 一次可以計算 8 個位元組；

這里的 32 位和 64 位，通常稱為 CPU 的位寬，

之所以 CPU 要這樣設計，是為了能計算更大的數值，如果是 8 位的 CPU，那么一次只能計算 1 個位元組 0~255 范圍內的數值，這樣就無法一次完成計算 10000 * 500 ，于是為了能一次計算大數的運算，CPU 需要支持多個 byte 一起計算，所以 CPU 位寬越大，可以計算的數值就越大，比如說 32 位 CPU 能計算的最大整數是 4294967295，

CPU 內部還有一些組件，常見的有暫存器、控制單元和邏輯運算單元等，其中，控制單元負責控制 CPU 作業，邏輯運算單元負責計算，而暫存器可以分為多種類，每種暫存器的功能又不盡相同，

CPU 中的暫存器主要作用是存盤計算時的資料，你可能好奇為什么有了記憶體還需要暫存器？原因很簡單，因為記憶體離 CPU 太遠了，而暫存器就在 CPU 里，還緊挨著控制單元和邏輯運算單元，自然計算時速度會很快，

常見的暫存器種類：

• 通用暫存器，用來存放需要進行運算的資料，比如需要進行加和運算的兩個資料，
• 程式計數器，用來存盤 CPU 要執行下一條指令「所在的記憶體地址」，注意不是存盤了下一條要執行的指令，此時指令還在記憶體中，程式計數器只是存盤了下一條指令的地址，
• 指令暫存器，用來存放程式計數器指向的指令，也就是指令本身，指令被執行完成之前，指令都存盤在這里，

總線

總線是用于 CPU 和記憶體以及其他設備之間的通信，總線可分為 3 種：

• 地址總線，用于指定 CPU 將要操作的記憶體地址；
• 資料總線，用于讀寫記憶體的資料；
• 控制總線，用于發送和接收信號，比如中斷、設備復位等信號，CPU 收到信號后自然進行回應，這時也需要控制總線；

當 CPU 要讀寫記憶體資料的時候，一般需要通過兩個總線：

• 首先要通過「地址總線」來指定記憶體的地址；
• 再通過「資料總線」來傳輸資料；

輸入、輸出設備

輸入設備向計算機輸入資料，計算機經過計算后，把資料輸出給輸出設備，期間，如果輸入設備是鍵盤，按下按鍵時是需要和 CPU 進行互動的，這時就需要用到控制總線了，

線路位寬與 CPU 位寬

資料是如何通過地址總線傳輸的呢？其實是通過操作電壓，低電壓表示 0，高壓電壓則表示 1，

如果構造了高低高這樣的信號，其實就是 101 二進制資料，十進制則表示 5，如果只有一條線路，就意味著每次只能傳遞 1 bit 的資料，即 0 或 1，那么傳輸 101 這個資料，就需要 3 次才能傳輸完成，這樣的效率非常低，

這樣一位一位傳輸的方式，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，當然，想一次多傳一些資料，增加線路即可，這時資料就可以并行傳輸，

為了避免低效率的串行傳輸的方式，線路的位寬最好一次就能訪問到所有的記憶體地址， CPU 要想操作的記憶體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」這兩種情況，所以 CPU 一次只能操作 2 個記憶體地址；如果想要 CPU 操作 4G 的記憶體，那么就需要 32 條地址總線，因為 2 ^ 32 = 4G，

知道了線路位寬的意義后，我們再來看看 CPU 位寬，

CPU 的位寬最好不要小于線路位寬，比如 32 位 CPU 控制 40 位寬的地址總線和資料總線的話，作業起來就會非常復雜且麻煩，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 位寬的地址總線和資料總線，

如果用 32 位 CPU 去加和兩個 64 位大小的數字，就需要把這 2 個 64 位的數字分成 2 個低位 32 位數字和 2 個高位 32 位數字來計算，先加個兩個低位的 32 位數字，算出進位，然后加和兩個高位的 32 位數字，最后再加上進位，就能算出結果了，可以發現 32 位 CPU 并不能一次性計算出加和兩個 64 位數字的結果，

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

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 位的數字，所以如果計算的數額不超過 32 位數字的情況下，32 位和 64 位 CPU 之間沒什么區別的，只有當計算超過 32 位數字的情況下，64 位的優勢才能體現出來，

另外，32 位 CPU 最大只能操作 4GB 記憶體，就算你裝了 8 GB 記憶體條，也沒用，而 64 位 CPU 尋址范圍則很大，理論最大的尋址空間為 2^64，

程式執行的基本程序

在前面，我們知道了程式在圖靈機的執行程序，接下來我們來看看程式在馮諾依曼模型上是怎么執行的，

程式實際上是一條一條指令，所以程式的運行程序就是把每一條指令一步一步的執行起來，負責執行指令的就是 CPU 了，

那 CPU 執行程式的程序如下：

• 第一步，CPU 讀取「程式計數器」的值，這個值是指令的記憶體地址，然后 CPU 的「控制單元」操作「地址總線」指定需要訪問的記憶體地址，接著通知記憶體設備準備資料，資料準備好后通過「資料總線」將指令資料傳給 CPU，CPU 收到記憶體傳來的資料后，將這個指令資料存入到「指令暫存器」，
• 第二步，CPU 分析「指令暫存器」中的指令，確定指令的型別和引數，如果是計算型別的指令，就把指令交給「邏輯運算單元」運算；如果是存盤型別的指令，則交由「控制單元」執行；
• 第三步，CPU 執行完指令后，「程式計數器」的值自增，表示指向下一條指令，這個自增的大小，由 CPU 的位寬決定，比如 32 位的 CPU，指令是 4 個位元組，需要 4 個記憶體地址存放，因此「程式計數器」的值會自增 4；

簡單總結一下就是，一個程式執行的時候，CPU 會根據程式計數器里的記憶體地址，從記憶體里面把需要執行的指令讀取到指令暫存器里面執行，然后根據指令長度自增，開始順序讀取下一條指令，

CPU 從程式計數器讀取指令、到執行、再到下一條指令，這個程序會不斷回圈，直到程式執行結束，這個不斷回圈的程序被稱為 CPU 的指令周期，

a = 1 + 2 執行具體程序

知道了基本的程式執行程序后，接下來用 a = 1 + 2 的作為例子，進一步分析該程式在馮諾伊曼模型的執行程序，

CPU 是不認識 a = 1 + 2 這個字串，這些字串只是方便我們程式員認識，要想這段程式能跑起來，還需要把整個程式翻譯成匯編語言的程式，這個程序稱為編譯成匯編代碼，

針對匯編代碼，我們還需要用匯編器翻譯成機器碼，這些機器碼由 0 和 1 組成的機器語言，這一條潭訓器碼，就是一條條的計算機指令，這個才是 CPU 能夠真正認識的東西，

下面來看看 a = 1 + 2 在 32 位 CPU 的執行程序，

程式編譯程序中，編譯器通過分析代碼，發現 1 和 2 是資料，于是程式運行時，記憶體會有個專門的區域來存放這些資料，這個區域就是「資料段」，如下圖，資料 1 和 2 的區域位置：

• 資料 1 被存放到 0x100 位置；
• 資料 2 被存放到 0x104 位置；

注意，資料和指令是分開區域存放的，存放指令區域的地方稱為「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 0x200 ~ 0x20c 的區域中：

• 0x200 的內容是 load 指令將 0x100 地址中的資料 1 裝入到暫存器 R0；
• 0x204 的內容是 load 指令將 0x104 地址中的資料 2 裝入到暫存器 R1；
• 0x208 的內容是 add 指令將暫存器 R0 和 R1 的資料相加，并把結果存放到暫存器 R2；
• 0x20c 的內容是 store 指令將暫存器 R2 中的資料存回資料段中的 0x108 地址中，這個地址也就是變數 a 記憶體中的地址；

編譯完成后，具體執行程式的時候，程式計數器會被設定為 0x200 地址，然后依次執行這 4 條指令，

上面的例子中，由于是在 32 位 CPU 執行的，因此一條指令是占 32 位大小，所以你會發現每條指令間隔 4 個位元組，

而資料的大小是根據你在程式中指定的變數型別，比如 int 型別的資料則占 4 個位元組，char 型別的資料則占 1 個位元組，

指令

上面的例子中，圖中指令的內容我寫的是簡易的匯編代碼，目的是為了方便理解指令的具體內容，事實上指令的內容是一串二進制數字的機器碼，每條指令都有對應的機器碼，CPU 通過決議機器碼來知道指令的內容，

不同的 CPU 有不同的指令集，也就是對應著不同的匯編語言和不同的機器碼，接下來選用最簡單的 MIPS 指集，來看看機器碼是如何生成的，這樣也能明白二進制的機器碼的具體含義，

MIPS 的指令是一個 32 位的整數，高 6 位代表著操作碼，表示這條指令是一條什么樣的指令，剩下的 26 位不同指令型別所表示的內容也就不相同，主要有三種型別R、I 和 J，

一起具體看看這三種型別的含義：

• R 指令，用在算術和邏輯操作，里面由讀取和寫入資料的暫存器地址，如果是邏輯位移操作，后面還有位移操作的「位移量」，而最后的「功能碼」則是再前面的操作碼不夠的時候，擴展操作碼來表示對應的具體指令的；
• I 指令，用在資料傳輸、條件分支等，這個型別的指令，就沒有了位移量和操作碼，也沒有了第三個暫存器，而是把這三部分直接合并成了一個地址值或一個常數；
• J 指令，用在跳轉，高 6 位之外的 26 位都是一個跳轉后的地址；

接下來，我們把前面例子的這條指令：「add 指令將暫存器 R0 和 R1 的資料相加，并把結果放入到 R3」，翻譯成機器碼，

加和運算 add 指令是屬于 R 指令型別：

• add 對應的 MIPS 指令里操作碼是 000000，以及最末尾的功能碼是 100000，這些數值都是固定的，查一下 MIPS 指令集的手冊就能知道的；
• rs 代表第一個暫存器 R0 的編號，即 00000；
• rt 代表第二個暫存器 R1 的編號，即 00001；
• rd 代表目標的臨時暫存器 R2 的編號，即 00010；
• 因為不是位移操作，所以位移量是 00000

把上面這些數字拼在一起就是一條 32 位的 MIPS 加法指令了，那么用 16 進制表示的機器碼則是 0x00011020，

編譯器在編譯程式的時候，會構造指令，這個程序叫做指令的編碼，CPU 執行程式的時候，就會決議指令，這個程序叫作指令的解碼，

現代大多數 CPU 都使用來流水線的方式來執行指令，所謂的流水線就是把一個任務拆分成多個小任務，于是一條指令通常分為 4 個階段，稱為 4 級流水線，如下圖：

四個階段的具體含義：

1. CPU 通程序式計數器讀取對應記憶體地址的指令，這個部分稱為 Fetch（取得指令）；
2. CPU 對指令進行解碼，這個部分稱為 Decode（指令譯碼）；
3. CPU 執行指令，這個部分稱為 Execution（執行指令）；
4. CPU 將計算結果存回暫存器或者將暫存器的值存入記憶體，這個部分稱為 Store（資料回寫）；

上面這 4 個階段，我們稱為指令周期（Instrution Cycle），CPU 的作業就是一個周期接著一個周期，周而復始，

事實上，不同的階段其實是由計算機中的不同組件完成的：

• 取指令的階段，我們的指令是存放在存盤器里的，實際上，通程序式計數器和指令暫存器取出指令的程序，是由控制器操作的；
• 指令的譯碼程序，也是由控制器進行的；
• 指令執行的程序，無論是進行算術操作、邏輯操作，還是進行資料傳輸、條件分支操作，都是由算術邏輯單元操作的，也就是由運算器處理的，但是如果是一個簡單的無條件地址跳轉，則是直接在控制器里面完成的，不需要用到運算器，

指令的型別

指令從功能角度劃分，可以分為 5 大類：

• 資料傳輸型別的指令，比如 store/load 是暫存器與記憶體間資料傳輸的指令，mov 是將一個記憶體地址的資料移動到另一個記憶體地址的指令；
• 運算型別的指令，比如加減乘除、位運算、比較大小等等，它們最多只能處理兩個暫存器中的資料；
• 跳轉型別的指令，通過修改程式計數器的值來達到跳轉執行指令的程序，比如編程中常見的 if-else、swtich-case、函式呼叫等，
• 信號型別的指令，比如發生中斷的指令 trap；
• 閑置型別的指令，比如指令 nop，執行后 CPU 會空轉一個周期；

指令的執行速度

CPU 的硬體引數都會有 GHz 這個引數，比如一個 1 GHz 的 CPU，指的是時鐘頻率是 1 G，代表著 1 秒會產生 1G 次數的脈沖信號，每一次脈沖信號高低電平的轉換就是一個周期，稱為時鐘周期，

對于 CPU 來說，在一個時鐘周期內，CPU 僅能完成一個最基本的動作，時鐘頻率越高，時鐘周期就越短，作業速度也就越快，

一個時鐘周期一定能執行完一條指令嗎？答案是不一定的，大多數指令不能在一個時鐘周期完成，通常需要若干個時鐘周期，不同的指令需要的時鐘周期是不同的，加法和乘法都對應著一條 CPU 指令，但是乘法需要的時鐘周期就要比加法多，

如何讓程式跑的更快？

程式執行的時候，耗費的 CPU 時間少就說明程式是快的，對于程式的 CPU 執行時間，我們可以拆解成 CPU 時鐘周期數（CPU Cycles）和時鐘周期時間（Clock Cycle Time）的乘積，

時鐘周期時間就是我們前面提及的 CPU 主頻，主頻越高說明 CPU 的作業速度就越快，比如我手頭上的電腦的 CPU 是 2.4 GHz 四核 Intel Core i5，這里的 2.4 GHz 就是電腦的主頻，時鐘周期時間就是 1/2.4G，

要想 CPU 跑的更快，自然縮短時鐘周期時間，也就是提升 CPU 主頻，但是今非彼日，摩爾定律早已失效，當今的 CPU 主頻已經很難再做到翻倍的效果了，

另外，換一個更好的 CPU，這個也是我們軟體工程師控制不了的事情，我們應該把目光放到另外一個乘法因子 —— CPU 時鐘周期數，如果能減少程式所需的 CPU 時鐘周期數量，一樣也是能提升程式的性能的，

對于 CPU 時鐘周期數我們可以進一步拆解成：「指令數 x 每條指令的平均時鐘周期數（Cycles Per Instruction，簡稱 CPI）」，于是程式的 CPU 執行時間的公式可變成如下：

因此，要想程式跑的更快，優化這三者即可：

• 指令數，表示執行程式所需要多少條指令，以及哪些指令，這個層面是基本靠編譯器來優化，畢竟同樣的代碼，在不同的編譯器，編譯出來的計算機指令會有各種不同的表示方式，
• 每條指令的平均時鐘周期數 CPI，表示一條指令需要多少個時鐘周期數，現代大多數 CPU 通過流水線技術（Pipline），讓一條指令需要的 CPU 時鐘周期數盡可能的少；
• 時鐘周期時間，表示計算機主頻，取決于計算機硬體，有的 CPU 支持超頻技術，打開了超頻意味著把 CPU 內部的時鐘給調快了，于是 CPU 作業速度就變快了，但是也是有代價的，CPU 跑的越快，散熱的壓力就會越大，CPU 會很容易奔潰，

很多廠商為了跑分而跑分，基本都是在這三個方面入手的哦，特別是超頻這一塊，

總結

最后我們再來回答開頭的問題，

64 位相比 32 位 CPU 的優勢在哪嗎？64 位 CPU 的計算性能一定比 32 位 CPU 高很多嗎？

64 位相比 32 位 CPU 的優勢主要體現在兩個方面：

• 64 位 CPU 可以一次計算超過 32 位的數字，而 32 位 CPU 如果要計算超過 32 位的數字，要分多步驟進行計算，效率就沒那么高，但是大部分應用程式很少會計算那么大的數字，所以只有運算大數字的時候，64 位 CPU 的優勢才能體現出來，否則和 32 位 CPU 的計算性能相差不大，
• 64 位 CPU 可以尋址更大的記憶體空間，32 位 CPU 最大的尋址地址是 4G，即使你加了 8G 大小的記憶體，也還是只能尋址到 4G，而 64 位 CPU 最大尋址地址是 2^64，遠超于 32 位 CPU 最大尋址地址的 2^32，

你知道軟體的 32 位和 64 位之間的區別嗎？再來 32 位的作業系統可以運行在 64 位的電腦上嗎？64 位的作業系統可以運行在 32 位的電腦上嗎？如果不行，原因是什么？

64 位和 32 位軟體，實際上代表指令是 64 位還是 32 位的：

• 如果 32 位指令在 64 位機器上執行，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 位機器上執行，就比較困難了，因為 32 位的暫存器存不下 64 位的指令；
• 作業系統其實也是一種程式，我們也會看到作業系統會分成 32 位作業系統、64 位作業系統，其代表意義就是作業系統中程式的指令是多少位，比如 64 位作業系統，指令也就是 64 位，因此不能裝在 32 位機器上，

總之，硬體的 64 位和 32 位指的是 CPU 的位寬，軟體的 64 位和 32 位指的是指令的位寬，

絮叨

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