图解系统的学习笔记--硬件结构

CPU是如何执行程序的？

图灵机的工作方式

1. 图灵机的基本组成
   1. 纸带：纸带由一个个连续的格子组成，每个格子可以写入字符，纸带就好比内存，而纸带上的格子的字符就好比内存中的数据或程序
   2. 读写头：可以读取只带上任意格子的字符，也可以把字符写入到纸带的格子
   3. 读写头上的部件-存储单元、控制单元、运算单元
      1. 存储单元用于存放数据
      2. 控制单元用于识别字符是数据还是指令、以及控制程序的流程等
      3. 预算单元用于执行运算指令

冯诺依曼模型

1. 计算机的基本结构：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
2. 运算器、控制器是在中央处理器里面的
3. 存储器：内存
4. 输入、输出设备是计算机外接的设备，键盘、显示器
5. 内存
   1. 程序和数据是存储在内存，存储的区域是线性的
   2. 存储数据的基本单位是字节，一个字节等于8位bit，每一个字节都对应一个内存地址
   3. 内存的地址是从0开始编号的，然后自增排列，最后一个地址为内存总字节数-1，类似于数组，所以内存的读写任何一个数据的速度都是一样的
6. 中央处理器-CPU
   1. 中央处理器就是CPU，32位CPU和64位CPU最主要的区别是一次可以计算多少字节的数据
      1. 32位CPU一次可以计算4个字节
      2. 64位CPU一次可以计算8个字节
   2. CPU内部还有一些组件：寄存器、控制单元、逻辑计算单元
      1. 控制单元：负责控制CPU工作
      2. 逻辑运算：负责计算
      3. 寄存器：很多种类，每种寄存器不一样
         1. 主要作用是存储计算时的数据
         2. 通用寄存器：用来存放需要进行运算的数据
         3. 程序计数器：用来存储CPU要执行下一条指令(所在的内存地址)，注意部署存储了下一条要执行的指令，此时指令还在内存中，程序计数器只是存储了下一条指令的地址
         4. 指令寄存器：用来存放当前正在执行的指令，也就是指令本身，指令被执行完成之前，指令都存储在这里

总线

1. 总线是用于CPU和内存以及其他设备之间的通信
   1. 地址总线：用于指定CPU将要操作的内存地址
   2. 数据总线：用于读写内存的数据
   3. 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收到信号后自然进行响应，这个时候也需要控制总线
2. 当CPU读写内存数据的时候，一般需要通过下面这三个总线
   1. 地址总线来指定内存的地址
   2. 控制总线控制是读或写命令
   3. 数据总线用于传输数据

输入、输出设备

1. 输入设备向计算机输入数据，计算机经过计算后，将数据输出给输出设备
2. 如果输入设备是键盘，按下按键的时候是需要和CPU进行交互的，这个时候就会用到控制总线

线路位宽与CPU位宽

1. 数据是通过线路进行传输的，通过操控电压，低电压表示0，高电压表示1
   1. 构造了高低高这样的信号，其实就是101二进制数据，十进制则表示5，如果只有一条线路，就意味着每次只能传递1bit的数据，即0或1，那么传输101这个数据，就需要三次才能完成，效率很低
   2. 一位一位传输的方式，称为串行，下个bit必须等待上一个bit传输完成才能进行传输，当然，一次想多传一些数据，增加线路即可，这时数据就可以并行传输
   3. CPU想要操作内存地址，需要地址总线
      1. 如果地址总线只有1条，那每次只能表示0或1这两种地址，所以CPU能操作的内存地址最大数量为2（2^1）个
      2. 如果地址总线有2条，那每次能表示00、01、10、11这四种地址，所以CPU能操作的内存地址最大数量是4（2^2）个
      3. 想要CPU操作4G大的内存，那么就需要32条地址总线2^32=4GB
2. CPU位宽
   1. CPU的位宽最好不要小于线路位宽，32位的CPU最好和32位宽的线路搭配

程序执行的基本过程

1. CPU执行程序的过程如下
   1. 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，接着通知内存数据准备数据，数据准备好之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，将这个指令数据存储到指令寄存器
   2. 程序计数器的值自增，表示指向下一条指令
      1. 这个自增的大小由CPU的位宽决定
   3. 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，就把指令交给逻辑计算单元；如果是存储类型的指令，则交由控制单元执行
2. 总结：一个程序执行的时候，CPU会根据程序计数器里的内存地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令
3. CPU的指令周期：CPU从程序计数器读取指令到执行再到下一条指令，这个过程会不断循环，直到程序执行结束

a=1+2执行具体过程

1. 需要把程序翻译为汇编语言的程序，这个过程称为编译汇编代码
2. 汇编代码需要汇编器翻译成机器码，这些机器码由0和1组成的机器语言，这一条条机器码，就是一条条的计算机指令，这个才是CPU能够真正认识的东西
3. 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，内存会有专门的区域来存放这些数据，这个区域就是数据段
4. 注意：数据和指令是分开区域存放的，存放指令区域的地方称为正文段
5. 指令
   1. 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
   2. 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
   3. MIPS的指令
      1. R指令：用在算数和逻辑操作，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在前面操作码不够的时候，扩展操作码来表示对应的具体指令的
      2. 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一个地址值或一个常数
      3. 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
   4. 编译器在编译程序的时候会构造指令，这个过程叫做指令的编码
   5. CPU执行程序的时候，就会解析指令，这个过程叫做指令的解码
   6. 一个指令周期：取得指令--指令译码--执行指令--数据回写
      1. 取得指令：通过程序计数器读取对应内存地址的指令
         1. 指令存放在存储器里面
         2. 程序计数器和指令寄存器取出指令的过程是由控制器操作的
      2. 指令译码：CPU对指令进行解码
         1. 由控制器进行的
      3. 执行指令：CPU执行指令
         1. 算数操作、逻辑操作、数据传输、条件分支操作：算术逻辑单元操作的，也就是由运算器处理的
         2. 一个简单的无条件地址跳转，是直接在控制器里面完成的
      4. 数据回写：CPU将计算结果存回到寄存器或将寄存器的值存到内存中