操作系统基本概念回顾笔记
CPU 是如何执行程序的
冯·诺依曼模型
在 1945 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,而且还提出用电子元件构造计算机,并约定了用二进制进行计算和存储。
最重要的是定义计算机基本结构为 5 个部分,分别是运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备,这 5 个部分也被称为冯诺依曼模型。
运算器、控制器是在中央处理器里的,存储器就我们常见的内存,输入输出设备则是计算机外接的设备,比如键盘就是输入设备,显示器就是输出设备。
存储单元和输入输出设备要与中央处理器打交道的话,离不开总线。所以,它们之间的关系如下图:
接下来,分别介绍内存、中央处理器、总线、输入输出设备。
内存
我们的程序和数据都是存储在内存,存储的区域是线性的。
在计算机数据存储中,存储数据的基本单位是字节(*byte*),1 字节等于 8 位(8 bit)。每一个字节都对应一个内存地址。
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,这种结构好似我们程序里的数组,所以内存的读写任何一个数据的速度都是一样的。
CPU
中央处理器也就是我们常说的 CPU,32 位和 64 位 CPU 最主要区别在于一次能计算多少字节数据:
- 32 位 CPU 一次可以计算 4 个字节;
- 64 位 CPU 一次可以计算 8 个字节;
这里的 32 位和 64 位,通常称为 CPU 的位宽。
之所以 CPU 要这样设计,是为了能计算更大的数值,如果是 8 位的 CPU,那么一次只能计算 1 个字节 0~255
范围内的数值,这样就无法一次完成计算 10000 * 500
,于是为了能一次计算大数的运算,CPU 需要支持多个 byte 一起计算,所以 CPU 位宽越大,可以计算的数值就越大,比如说 32 位 CPU 能计算的最大整数是 4294967295
。
CPU 内部还有一些组件,常见的有寄存器、控制单元和逻辑运算单元等。其中,控制单元负责控制 CPU 工作,逻辑运算单元负责计算,而寄存器可以分为多种类,每种寄存器的功能又不尽相同。
CPU 中的寄存器主要作用是存储计算时的数据,你可能好奇为什么有了内存还需要寄存器?原因很简单,因为内存离 CPU 太远了,而寄存器就在 CPU 里,还紧挨着控制单元和逻辑运算单元,自然计算时速度会很快。
常见的寄存器种类:
- 通用寄存器,用来存放需要进行运算的数据,比如需要进行加和运算的两个数据。
- 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」,注意不是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。
- 指令寄存器,用来存放程序计数器指向的指令,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
总线是用于 CPU 和内存以及其他设备之间的通信,总线可分为 3 种:
- 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,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;
当 CPU 要读写内存数据的时候,一般需要通过下面这三个总线:
- 首先要通过「地址总线」来指定内存的地址;
- 然后通过「控制总线」控制是读或写命令;
- 最后通过「数据总线」来传输数据;
I/O设备
输入设备向计算机输入数据,计算机经过计算后,把数据输出给输出设备。期间,如果输入设备是键盘,按下按键时是需要和 CPU 进行交互的,这时就需要用到控制总线了。
程序执行基本过程
那 CPU 执行程序的过程如下:
- 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,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;
- 第三步,CPU 执行完指令后,「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;
简单总结一下就是,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。
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,这个不断循环的过程被称为 CPU 的指令周期。
a=1+2的执行过程
知道了基本的程序执行过程后,接下来用 a = 1 + 2
的作为例子,进一步分析该程序在冯诺伊曼模型的执行过程。
CPU 是不认识 a = 1 + 2
这个字符串,这些字符串只是方便我们程序员认识,要想这段程序能跑起来,还需要把整个程序翻译成汇编语言的程序,这个过程称为编译成汇编代码。
针对汇编代码,我们还需要用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。
下面来看看 a = 1 + 2
在 32 位 CPU 的执行过程。
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,内存会有个专门的区域来存放这些数据,这个区域就是「数据段」。如下图,数据 1 和 2 的区域位置:
- 数据 1 被存放到 0x100 位置;
- 数据 2 被存放到 0x104 位置;
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」。
编译器会把 a = 1 + 2
翻译成 4 条指令,存放到正文段中。如图,这 4 条指令被存放到了 0x200 ~ 0x20c 的区域中:
- 0x200 的内容是
load
指令将 0x100 地址中的数据 1 装入到寄存器R0
; - 0x204 的内容是
load
指令将 0x104 地址中的数据 2 装入到寄存器R1
; - 0x208 的内容是
add
指令将寄存器R0
和R1
的数据相加,并把结果存放到寄存器R2
; - 0x20c 的内容是
store
指令将寄存器R2
中的数据存回数据段中的 0x108 地址中,这个地址也就是变量a
内存中的地址;
编译完成后,具体执行程序的时候,程序计数器会被设置为 0x200 地址,然后依次执行这 4 条指令。
上面的例子中,由于是在 32 位 CPU 执行的,因此一条指令是占 32 位大小,所以你会发现每条指令间隔 4 个字节。
而数据的大小是根据你在程序中指定的变量类型,比如 int
类型的数据则占 4 个字节,char
类型的数据则占 1 个字节。
指令的执行速度
CPU 的硬件参数都会有 GHz
这个参数,比如一个 1 GHz 的 CPU,指的是时钟频率是 1 G,代表着 1 秒会产生 1G 次数的脉冲信号,每一次脉冲信号高低电平的转换就是一个周期,称为时钟周期。
对于 CPU 来说,在一个时钟周期内,CPU 仅能完成一个最基本的动作,时钟频率越高,时钟周期就越短,工作速度也就越快。
一个时钟周期一定能执行完一条指令吗?答案是不一定的,大多数指令不能在一个时钟周期完成,通常需要若干个时钟周期。不同的指令需要的时钟周期是不同的,加法和乘法都对应着一条 CPU 指令,但是乘法需要的时钟周期就要比加法多。
如何让程序跑的更快?
程序执行的时候,耗费的 CPU 时间少就说明程序是快的,对于程序的 CPU 执行时间,我们可以拆解成 CPU 时钟周期数(*CPU Cycles*)和时钟周期时间(*Clock Cycle Time*)的乘积。
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,比如我手头上的电脑的 CPU 是 2.4 GHz 四核 Intel Core i5,这里的 2.4 GHz 就是电脑的主频,时钟周期时间就是 1/2.4G。
要想 CPU 跑的更快,自然缩短时钟周期时间,也就是提升 CPU 主频,但是今非彼日,摩尔定律早已失效,当今的 CPU 主频已经很难再做到翻倍的效果了。
另外,换一个更好的 CPU,这个也是我们软件工程师控制不了的事情,我们应该把目光放到另外一个乘法因子 —— CPU 时钟周期数,如果能减少程序所需的 CPU 时钟周期数量,一样也是能提升程序的性能的。
对于 CPU 时钟周期数我们可以进一步拆解成:「指令数 x 每条指令的平均时钟周期数(*Cycles Per Instruction*,简称 CPI
)」,于是程序的 CPU 执行时间的公式可变成如下:
因此,要想程序跑的更快,优化这三者即可:
- 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。
- 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。
总结
64 位相比 32 位 CPU 的优势在哪吗?64 位 CPU 的计算性能一定比 32 位 CPU 高很多吗?
64 位相比 32 位 CPU 的优势主要体现在两个方面:
- 64 位 CPU 可以一次计算超过 32 位的数字,而 32 位 CPU 如果要计算超过 32 位的数字,要分多步骤进行计算,效率就没那么高,但是大部分应用程序很少会计算那么大的数字,所以只有运算大数字的时候,64 位 CPU 的优势才能体现出来,否则和 32 位 CPU 的计算性能相差不大。
- 64 位 CPU 可以寻址更大的内存空间,32 位 CPU 最大的寻址地址是 4G,即使你加了 8G 大小的内存,也还是只能寻址到 4G,而 64 位 CPU 最大寻址地址是
2^64
,远超于 32 位 CPU 最大寻址地址的2^32
。
你知道软件的 32 位和 64 位之间的区别吗?再来 32 位的操作系统可以运行在 64 位的电脑上吗?64 位的操作系统可以运行在 32 位的电脑上吗?如果不行,原因是什么?
64 位和 32 位软件,实际上代表指令是 64 位还是 32 位的:
- 如果 32 位指令在 64 位机器上执行,需要一套兼容机制,就可以做到兼容运行了。但是如果 64 位指令在 32 位机器上执行,就比较困难了,因为 32 位的寄存器存不下 64 位的指令;
- 操作系统其实也是一种程序,我们也会看到操作系统会分成 32 位操作系统、64 位操作系统,其代表意义就是操作系统中程序的指令是多少位,比如 64 位操作系统,指令也就是 64 位,因此不能装在 32 位机器上。
总之,硬件的 64 位和 32 位指的是 CPU 的位宽,软件的 64 位和 32 位指的是指令的位宽。