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周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<div class="book-post">
<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>03 程序的执行：相比 32 位，64 位的优势是什么？（下）</h1>
<p>在 02 课时中我们学习了计算机的组成原理，还分析了一些你在工作中可能会遇到的问题。本课时，我们继续深入学习程序执行部分，进一步讨论程序在冯诺依曼模型上如何执行。</p>
<h3>程序的执行过程</h3>
<p>当 CPU 执行程序的时候：</p>
<p>1.首先，CPU 读取 PC 指针指向的指令，将它导入指令寄存器。具体来说，完成读取指令这件事情有 3 个步骤：</p>
<p><strong>步骤 1</strong>：CPU 的控制单元操作地址总线指定需要访问的内存地址（简单理解，就是把 PC 指针中的值拷贝到地址总线中）。</p>
<p><strong>步骤 2</strong>：CPU 通知内存设备准备数据（内存设备准备好了，就通过数据总线将数据传送给 CPU）。</p>
<p><strong>步骤 3</strong>：CPU 收到内存传来的数据后，将这个数据存入指令寄存器。</p>
<p>完成以上 3 步，CPU 成功读取了 PC 指针指向指令，存入了指令寄存器。</p>
<p>2.然后，CPU 分析指令寄存器中的指令，确定指令的类型和参数。
3.如果是计算类型的指令，那么就交给逻辑运算单元计算；如果是存储类型的指令，那么由控制单元执行。
4.PC 指针自增，并准备获取下一条指令。</p>
<blockquote>
<p>比如在 32 位的机器上，指令是 32 位 4 个字节，需要 4 个内存地址存储，因此 PC 指针会自增 4。</p>
</blockquote>
<p><img src="assets/Ciqc1F9fGs2AEfeRAADnPPOm_gU294.png" alt="图片1" /></p>
<p>了解了程序的执行过程后，我还有一些问题想和大家一起讨论：</p>
<ol>
<li>内存虽然是一个随机存取器，但是我们通常不会把指令和数据存在一起，这是为了安全起见。具体的原因我会在模块四进程部分展开讲解，欢迎大家在本课时的留言区讨论起来，我会结合你们留言的内容做后续的课程设计。</li>
<li>程序指针也是一个寄存器，64 位的 CPU 会提供 64 位的寄存器，这样就可以使用更多内存地址。特别要说明的是，64 位的寄存器可以寻址的范围非常大，但是也会受到地址总线条数的限制。比如和 64 位 CPU 配套工作的地址总线只有 40 条，那么可以寻址的范围就只有 1T，也就是 240。</li>
<li>从 PC 指针读取指令、到执行、再到下一条指令，构成了一个循环，这个不断循环的过程叫作<strong>CPU 的指令周期</strong>，下面我们会详细讲解这个概念。</li>
</ol>
<h3>详解 a = 11 + 15 的执行过程</h3>
<p>上面我们了解了基本的程序执行过程，接下来我们来看看如果用冯诺依曼模型执行<code>a=11+15</code>是一个怎样的过程。</p>
<p>我们再 Review 下这个问题：程序员写的程序<code>a=11+15</code>是字符串，CPU 不能执行字符串，只能执行指令。所以这里需要用到一种特殊的程序——编译器。编译器的核心能力是翻译，它把一种程序翻译成另一种程序语言。</p>
<p>这里，我们需要编译器将程序员写的程序翻译成 CPU 认识的指令（指令我们认为是一种低级语言，我们平时书写的是高级语言）。你可以先跟我完整地学完操作系统，再去深入了解编译原理的内容。</p>
<p>下面我们来详细阐述 a=11+15 的执行过程：</p>
<p>1.编译器通过分析，发现 11 和 15 是数据，因此编译好的程序启动时，会在内存中开辟出一个专门的区域存这样的常数，这个专门用来存储常数的区域，就是数据段，如下图所示：</p>
<ul>
<li>11 被存储到了地址 0x100；</li>
<li>15 被存储到了地址 0x104；</li>
</ul>
<p><img src="assets/Ciqc1F9jNVKAbRJhAADt2il2zYI826.png" alt="1.png" /></p>
<p>2.编译器将<code>a=11+15</code>转换成了 4 条指令，程序启动后，这些指令被导入了一个专门用来存储指令的区域，也就是正文段。如上图所示，这 4 条指令被存储到了 0x200-0x20c 的区域中：</p>
<p>0x200 位置的 load 指令将地址 0x100 中的数据 11 导入寄存器 R0；</p>
<p>0x204 位置的 load 指令将地址 0x104 中的数据 15 导入寄存器 R1；</p>
<p>0x208 位置的 add 指令将寄存器 R0 和 R1 中的值相加，存入寄存器 R2；</p>
<p>0x20c 位置的 store 指令将寄存器 R2 中的值存回数据区域中的 0x1108 位置。</p>
<p>3.具体执行的时候，PC 指针先指向 0x200 位置，然后依次执行这 4 条指令。</p>
<p>这里还有几个问题要说明一下：</p>
<ol>
<li>变量 a 实际上是内存中的一个地址，a 是给程序员的助记符。</li>
<li>为什么 0x200 中代表加载数据到寄存器的指令是 0x8c000100，我们会在下面详细讨论。</li>
<li>不知道细心的同学是否发现，在上面的例子中，我们每次操作 4 个地址，也就是 32 位，这是因为我们在用 32 位宽的 CPU 举例。在 32 位宽的 CPU 中，指令也是 32 位的。但是数据可以小于 32 位，比如可以加和两个 8 位的字节。</li>
<li>关于数据段和正文段的内容，会在模块四进程和线程部分继续讲解。</li>
</ol>
<h3>指令</h3>
<p>接下来我会带你具体分析指令的执行过程。</p>
<p>在上面的例子中，load 指令将内存中的数据导入寄存器，我们写成了 16 进制：0x8c000100，拆分成二进制就是：</p>
<blockquote>
<p>这里大家还是看下图，需要看一下才能明白。</p>
</blockquote>
<p><img src="assets/CgqCHl9fMJiAXO1-AABvVvPHepg435.png" alt="12.png" /></p>
<ul>
<li>最左边的 6 位，叫作<strong>操作码</strong>，英文是 OpCode，100011 代表 load 指令；</li>
<li>中间的 4 位 0000是寄存器的编号，这里代表寄存器 R0；</li>
<li>后面的 22 位代表要读取的地址，也就是 0x100。</li>
</ul>
<p>所以我们是把操作码、寄存器的编号、要读取的地址合并到了一个 32 位的指令中。</p>
<p>我们再来看一条求加法运算的 add 指令，16 进制表示是 0x08048000，换算成二进制就是：</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F9fMKGAT9ymAACIAk1pGnk727.png" alt="11.png" /></p>
<ul>
<li>最左边的 6 位是指令编码，代表指令 add；</li>
<li>紧接着的 4 位 0000 代表寄存器 R0；</li>
<li>然后再接着的 4 位 0001 代表寄存器 R1；</li>
<li>再接着的 4 位 0010 代表寄存器 R2；</li>
<li>最后剩下的 14 位没有被使用。</li>
</ul>
<p>构造指令的过程，叫作指令的编码，通常由编译器完成；解析指令的过程，叫作指令的解码，由 CPU 完成。由此可见 CPU 内部有一个循环：</p>
<ol>
<li>首先 CPU 通过 PC 指针读取对应内存地址的指令，我们将这个步骤叫作 Fetch，就是获取的意思。</li>
<li>CPU 对指令进行解码，我们将这个部分叫作 Decode。</li>
<li>CPU 执行指令，我们将这个部分叫作 Execution。</li>
<li>CPU 将结果存回寄存器或者将寄存器存入内存，我们将这个步骤叫作 Store。</li>
</ol>
<p><img src="assets/Ciqc1F9fMKiAZhMVAABIVEePzcA916.png" alt="image" /></p>
<p>上面 4 个步骤，我们叫作 CPU 的指令<strong>周期</strong>。CPU 的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。</p>
<h4>指令的类型</h4>
<p>通过上面的例子，你会发现不同类型（不同 OpCode）的指令、参数个数、每个参数的位宽，都不一样。而参数可以是以下这三种类型：</p>
<ol>
<li>寄存器；</li>
<li>内存地址；</li>
<li>数值（一般是整数和浮点）。</li>
</ol>
<p>当然，无论是寄存器、内存地址还是数值，它们都是数字。</p>
<p>指令从功能角度来划分，大概有以下 5 类：</p>
<ol>
<li>I/O 类型的指令，比如处理和内存间数据交换的指令 store/load 等；再比如将一个内存地址的数据转移到另一个内存地址的 mov 指令。</li>
<li>计算类型的指令，最多只能处理两个寄存器，比如加减乘除、位运算、比较大小等。</li>
<li>跳转类型的指令，用处就是修改 PC 指针。比如编程中大家经常会遇到需要条件判断+跳转的逻辑，比如 if-else，swtich-case、函数调用等。</li>
<li>信号类型的指令，比如发送中断的指令 trap。</li>
<li>闲置 CPU 的指令 nop，一般 CPU 都有这样一条指令，执行后 CPU 会空转一个周期。</li>
</ol>
<p>指令还有一个分法，就是寻址模式，比如同样是求和指令，可能会有 2 个版本：</p>
<ol>
<li>将两个寄存器的值相加的 add 指令。</li>
<li>将一个寄存器和一个整数相加的 addi 指令。</li>
</ol>
<p>另外，同样是加载内存中的数据到寄存器的 load 指令也有不同的寻址模式：</p>
<ol>
<li>比如直接加载一个内存地址中的数据到寄存器的指令<code>la</code>，叫作直接寻址。</li>
<li>直接将一个数值导入寄存器的指令<code>li</code>，叫作寄存器寻址。</li>
<li>将一个寄存器中的数值作为地址，然后再去加载这个地址中数据的指令<code>lw</code>，叫作间接寻址。</li>
</ol>
<p><strong>因此寻址模式是从指令如何获取数据的角度，对指令的一种分类，目的是给编写指令的人更多选择</strong>。</p>
<p>了解了指令的类型后，我再强调几个细节问题：</p>
<ol>
<li>关于寻址模式和所有的指令，只要你不是嵌入式开发人员，就不需要记忆，理解即可。</li>
<li>不同 CPU 的指令和寄存器名称都不一样，因此这些名称也不需要你记忆。</li>
<li>有几个寄存器在所有 CPU 里名字都一样，比如 PC 指针、指令寄存器等。</li>
</ol>
<h4>指令的执行速度</h4>
<p>之前我们提到过 CPU 是用石英晶体产生的脉冲转化为时钟信号驱动的，每一次时钟信号高低电平的转换就是一个周期，我们称为<strong>时钟周期</strong>。CPU 的主频，说的就是时钟信号的频率。比如一个 1GHz 的 CPU，说的是时钟信号的频率是 1G。</p>
<p>到这里你可能会有疑问：是不是每个时钟周期都可以执行一条指令？其实，不是的，多数指令不能在一个时钟周期完成，通常需要 2 个、4 个、6 个时钟周期。</p>
<h3>总结</h3>
<p>接下来我们来做一个总结。这节课我们深入讨论了指令和指令的分类。接下来，我们来看一看在 02 课时中留下的问题：<strong>64 位和 32 位比较有哪些优势</strong>？</p>
<p>还是老规矩，请你先自己思考这个问题的答案，写在留言区，然后再来看我接下来的分析。</p>
<p><strong>【解析】</strong> 其实，这个问题需要分类讨论。</p>
<ol>
<li>如果说的是 64 位宽 CPU，那么有 2 个优势。</li>
</ol>
<p><strong>优势 1</strong>：64 位 CPU 可以执行更大数字的运算，这个优势在普通应用上不明显，但是对于数值计算较多的应用就非常明显。</p>
<p><strong>优势 2</strong>：64 位 CPU 可以寻址更大的内存空间</p>
<ol>
<li>如果 32 位/64 位说的是程序，那么说的是指令是 64 位还是 32 位的。32 位指令在 64 位机器上执行，困难不大，可以兼容。 如果是 64 位指令，在 32 位机器上执行就困难了。因为 32 位指令在 64 位机器执行的时候，需要的是一套兼容机制；但是 64 位指令在 32 位机器上执行，32 位的寄存器都存不下指令的参数。</li>
<li>操作系统也是一种程序，如果是 64 位操作系统，也就是操作系统中程序的指令都是 64 位指令，因此不能安装在 32 位机器上。</li>
</ol>
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