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1. CPU 执行程序的基本过程⚓

程序实际上是一条一条指令，所以程序的运行过程就是把每一条指令一步一步的执行起来，负责执行指令的就是 CPU 了。

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，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，数据准备好了之后通过【数据总线】将指令数据传给CPU，CPU收到后，将指令数据存入到【指令寄存器】。
  2. 【程序技术器】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，指令大小是 4 个字节，那么需要4 个字节的内存地址存放，因此自增的值就是 4
  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，交给【逻辑运算单元】运算；如果是存储类型指令，交给【控制】单元执行。

1.1 a = 1 + 2 执行的具体过程⚓

CPU 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。

下面说明 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 0x200 位置；
  • 数据 2 被存放到 0x204 位置；

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 0x100 ~ 0x10c 的区域中：

  • 0x100 的内容是 load 指令将 0x200 地址中的数据 1 装入到寄存器 R0；
  • 0x104 的内容是 load 指令将 0x204 地址中的数据 2 装入到寄存器 R1；
  • 0x108 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；
  • 0x10c 的内容是 store 指令将寄存器 R2 中的数据存回数据段中的 0x208 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 0x100 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。

1.2 指令⚓

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。

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。

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。CPU 执行程序的时候，就会解析指令，这个过程叫作指令的解码。

现代大多数 CPU 都使用来流水线的方式来执行指令，所谓的流水线就是把一个任务拆分成多个小任务，于是一条指令通常分为 4 个阶段，称为 4 级流水线，如下图：

四个阶段的具体含义：

  • CPU 通过程序计数器读取对应内存地址的指令，这个部分称为 Fetch（取得指令）；
  • CPU 对指令进行解码，这个部分称为 Decode（指令译码）；
  • CPU 执行指令，这个部分称为 Execution（执行指令）；
  • CPU 将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存入内存，这个部分称为 Store（数据回写）；

上面这 4 个阶段，我们称为指令周期（Instrution Cycle），CPU 的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。

不同的阶段其实是由计算机中的不同组件完成的：

事实上，不同的阶段其实是由计算机中的不同组件完成的：

  • 取指令的阶段，我们的指令是存放在存储器里的，实际上，通过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；
  • 指令的译码过程，也是由控制器进行的；
  • 指令执行的过程，无论是进行算术操作、逻辑操作，还是进行数据传输、条件分支操作，都是由算术逻辑单元操作的，也就是由运算器处理的。但是如果是一个简单的无条件地址跳转，则是直接在控制器里面完成的，不需要用到运算器。

1.3 指令的类型⚓

根据功能划分，可分为5大类指令：

  • 数据传输类型，比如 store/load 是寄存器与内存间数据传输的指令，mov 是将一个内存地址的数据移动到另一个内存地址的指令；
  • 运算类型的指令，，比如加减乘除、位运算、比较大小等等，它们最多只能处理两个寄存器中的数据；
  • 跳转类型的指令，通过修改程序计数器的值来达到跳转执行指令的过程，比如编程中常见的 if-else、switch-case、函数调用等。
  • 信号类型的指令，比如发生中断的指令 trap；
  • 闲置类型的指令，比如指令 nop，执行后 CPU 会空转一个周期；

1.4 指令的执行速度⚓

CPU 的硬件参数都会有 GHz 这个参数，指的是时钟频率，代表着 1 秒会产生 多少 G 次的脉冲信号，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？

不一定，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。

CPU执行时间

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： 

程序的 CPU 执行时间 = CPU 时钟周期数 X 时钟周期时间
2.4 GHz 主频的CPU，时钟周期时间就是 1/2.4G。

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： 

程序的 CPU 执行时间 = 指令数 X CPI X 时钟周期时间

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。