CPU是如何執行程式的

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儲，還定義計算機基本結構為 5 個部分，分别是中央處理器（CPU）、記憶體、輸⼊裝置、輸出裝置、總線。

我們的程式和資料都是存儲在記憶體，存儲的區域是線性的。

資料存儲的機關是⼀個⼆進制位（bit） ，即 0 或 1。最⼩的存儲機關是位元組（byte） ， 1 位元組等于 8 位。記憶體的位址是從 0 開始編号的，然後⾃增排列，最後⼀個位址為記憶體總位元組數 - 1，這種結構好似我們程式⾥的數組，是以記憶體的讀寫任何⼀個資料的速度都是⼀樣的。

中央處理器也就是我們常說的 CPU， 32 位和 64 位 CPU 最主要差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。

之是以 CPU 要這樣設計，是為了能計算更⼤的數值，如果是 8 位的 CPU，那麼⼀次隻能計算 1 個位元組0~255 範圍内的數值，這樣就⽆法⼀次完成計算 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，是以 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 内部還有⼀些元件，常⻅的有寄存器、控制單元和邏輯運算單元等。其中，控制單元負責控制 CPU⼯作，邏輯運算單元負責計算，⽽寄存器可以分為多種類，每種寄存器的功能⼜不盡相同。

CPU 中的寄存器主要作⽤是存儲計算時的資料，你可能好奇為什麼有了記憶體還需要寄存器？原因很簡單，因為記憶體離 CPU 太遠了，⽽寄存器就在 CPU ⾥，還緊挨着控制單元和邏輯運算單元，⾃然計算時速度會很快。

常⻅的寄存器種類：

• 通⽤寄存器，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，⽤來存儲 CPU 要執⾏下⼀條指令「所在的記憶體位址」，注意不是存儲了下⼀條要執⾏的指令，此時指令還在記憶體中，程式計數器隻是存儲了下⼀條指令的位址。
• 指令寄存器，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，指令都存儲在這⾥。

總線是⽤于 CPU 和記憶體以及其他裝置之間的通信，總線可分為 3 種：

• 位址總線，⽤于指定 CPU 将要操作的記憶體位址；
• 資料總線，⽤于讀寫記憶體的資料；
• 控制總線，⽤于發送和接收信号，⽐如中斷、裝置複位等信号， CPU 收到信号後⾃然進⾏響應，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「位址總線」來指定記憶體的位址；
• 再通過「資料總線」來傳輸資料；

輸⼊裝置向計算機輸⼊資料，計算機經過計算後，把資料輸出給輸出裝置。期間，如果輸⼊裝置是鍵盤，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。