操作系统–前言02

程序是如何执行的？

我们先来看一道常规的面试题：相比 32 位，64 位的优势是什么？

• 如果是软件，那么我们的数据库有 32 位和 64 位版本；
• 如果是操作系统，那么在阿里云上选择 Centos 和 Debian 版本的时候，也会有 32/64 版本；
• 如果是 CPU，那么有 32 位 CPU，也有 64 位 CPU。

图灵机的构造

计算机科学方面有两个巨大的贡献：

• 清楚的定义了计算机能力的边界,也就是可计算理论
• 定义了计算机由哪些部分组成,程序又是如何让执行的

图灵机的内部构造

• 图灵机拥有一条无限长的纸带,纸带上是一个格子挨着一个格子,格子中可以写字符,你可以把纸带看成内存,而这些字符可以看作是内存中的数据或者程序.
• 图灵机有一个读写头,读写头可以读取任意格子上的字符,也可以改写任意格子的字符.
• 读写头上面的盒子里面是一些精密的零件,包括图灵机的储存,控制单元和运算单元.

图灵机如何执行程序

​ 下面我们来举一个例子，让大家弄清楚图灵机是如何工作的，比如我们要计算 11 + 15 的值，具体的运算步骤如下：

• 首先，我们将“11、15、+” 分别写入纸带上的 3 个格子（现在纸带上的字符串是11、15、 +)，然后将读写头先停在 11 对应的格子上。

• 接下来，图灵机通过读写头读入 11 到它的存储设备中（这个存储设备也叫作图灵机的状态）。图灵机没有说读写头为什么可以识别纸带上的字符，而是假定读写头可以做到这点。

• 然后读写头向右移动一个格，用同样的方法将 15 读入图灵机的状态中。现在图灵机的状态中有两个连续的数字，11 和 15。

运算流程是:

• 读写到一个加号
• 然后将+号传输控制单元
• 由于控制单元发现其为一个+号,所以没有存入状态,因为原来就一定预定了+号为一个指令,目的就是加和当前的状态,因此,控制单元识别出控制符,病通知单元工作.
• 运算单元从状态中读入 11、15 并进行计算，将结果 26 存储到状态
• 运算单元将结果回传给控制单元；
• 控制单元将结果传输给读写头.

• 读写头向右移动，将结果 26 写入纸带。

图灵机构造的这一台机器，主要功能就是读写纸带然后计算；纸带中有数据、也有控制字符（也就是指令）

冯诺依曼模型

计算机结构分成以下 5 个部分：

• 输入设备；
• 输出设备；
• 内存；
• 中央处理器；
• 总线。

这个模型也被称为冯诺依曼模型，下面我们具体来看看这 5 部分的作用。

内存

• 存储的数据单位是一个二进制位，英文是 bit( 8 位，英文是 byte)
• 随机存取器，读取任何一个地址数据的速度是一样的

CPU

• 如果 CPU 每次可以计算 4 个 byte，那么我们称作 32 位 CPU；
• 如果 CPU 每次可以计算 8 个 byte，那么我们称作 64 位 CPU。

这里的 32 和 64，称作 CPU 的位宽。

控制单元和逻辑运算单元

• 控制单元专门负责控制 CPU 工作；
• 逻辑运算单元专门负责计算。

寄存器

寄存器在 CPU 里，控制单元和逻辑运算单元非常近，因此速度很快。

• 寄存器中有一部分是可供用户编程用的，比如用来存加和指令的两个参数，是通用寄存器。

• 还有一部分寄存器有特殊的用途，叫作特殊寄存器。比如程序指针，就是一个特殊寄存器。它存储了 CPU 要执行的下一条指令所在的内存地址。注意，程序指针不是存储了下一条要执行的指令，此时指令还在内存中，程序指针只是存储了下一条指令的地址。

• 下一条要执行的指令，会从内存读入到另一个特殊的寄存器中，这个寄存器叫作指令寄存器。指令被执行完成之前，指令都存储在这里。

总线

CPU内存以及其他设备之间,也要通讯,因此我们用一种特殊的设备进行控制,就是总线.分为三种:

1. **地址总线:**专门用来指定cpu将要操作的内存地址

2. **数据总线,**用来读写内存中的数据

   当cpu需要读写的内存的时候,先要通过地址总线来指定内存地址,再通过数据总线来传输数据.

3. **控制总线:**用来发送和接受信号.中断信号，还有设备复位、就绪等信号，都是通过控制总线传输。同样的，CPU 需要对这些信号进行响应，这也需要控制总线。

输入、输出设备

• 输入设备向计算机输入数据，计算机经过计算，将结果通过输出设备向外界传达。
• 输入设备、输出设备想要和 CPU 进行交互，比如说用户按键需要 CPU 响应，这时候就需要用到控制总线

线路位宽问题

通过操作电压，低电压是 0，高电压是 1。

一条线路:只能传递 1 个信号,必须在 0,1 中选一个.只能操作两个内存地址

10 条地址总线;一次就可以表示 210 种情况，也就是可以操作 1024 个内存地址

32 条线 :2^32 是 4G。 可以操作4G 的内存地址.

64 位和 32 位的计算

32 位宽的 CPU 控制 40 位宽

• 地址总线、数据总线工作会非常麻烦，需要双方制定协议。 因此通常 32 位宽 CPU 最多操作 32 位宽的地址总线和数据总线。

• 把两个 64 位数字拆成 2 个 32 位数字来计算，这样就需要一个算法，

64 位的 CPU 就可以一次读入 64 位的数字

• 64 位的 CPU 内部的逻辑计算单元，也支持 64 位的数字进行计算

注:不要仅仅因为位宽的区别，就认为 64 位 CPU 性能比 32 位高很多。

注意:32 位宽的 CPU 没办法控制超过 32 位的地址总线、数据总线工作。比如说你有一条 40 位的地址总线（其实就是 40 条线），32 位的 CPU 没有办法一次给 40 个信号，因为它最多只有 32 位的寄存器。因此 32 位宽的 CPU 最多操作 232 个内存地址，也就是 4G 内存地址。