前置知识:程序是如何执行的?
一道常规的面试题:相比 32 位,64 位的优势是什么?
面试官考察这种类型的问题,主要是想看求职者是否有扎实的计算机基础,同时想知道求职者在工作中是否充满好奇,会主动学习、寻根问底,毕竟 32、64 位是经常出现在程序员视野的词汇,常见的东西都弄明白了,那说明这个人学习能力强。
其实 ,面试官在这里给你挖了一个陷阱,因为他没有说清楚 32、64 位指的是操作系统、是软件、还是 CPU?
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如果是软件,那么我们的数据库有 32 位和 64 位版本;
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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;
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如果是 CPU,那么有 32 位 CPU,也有 64 位 CPU。
接下来请你带着问题开始今天的课程学习,本课时的重点是带你学懂程序执行的原理。
图灵机的构造
想要学懂程序执行的原理,就要从图灵机说起了。它在计算机科学方面有两个巨大的贡献:
第一,它清楚地定义了计算机能力的边界,也就是可计算理论;
第二,它定义了计算机由哪些部分组成,程序又是如何执行的。
我们先来看一看图灵机的内部构造:
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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,你可以把纸带看作内存,而这些字符可以看作是内存中的数据或者程序。
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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。
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读写头上面的盒子里是一些精密的零件,包括图灵机的存储、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:
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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。
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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。
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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。
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接下来重复上面的过程,会读到一个+号。下面我详细说一下这个运算流程:
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读写头读到一个 + 号 ;
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然后将 + 号传输给控制单元 ;
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控制单元发现是一个 + 号,所以没有存入状态中。因为 + 号是一个我们预设的控制符(指令),它的作用是加和目前状态。因此,控制单元识别出是控制符,并通知运算单元工作;
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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;
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运算单元将结果回传给控制单元;
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控制单元将结果传输给读写头。
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读写头向右移动,将结果 26 写入纸带。
这样,我们就通过图灵机计算出了 11+15 的值。不知道你有没有发现,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),这个设计和我们今天的计算机是一样的。
图灵通过数学证明了,一个问题如果可以拆解成图灵机的可执行步骤,那问题就是可计算的。另一方面,图灵机定义了计算机的组成以及工作原理,但是没有给出具体的实现。
冯诺依曼模型
具体的实现是 1945 年冯诺依曼和其他几位科学家在著名的 101 页报告中提出的。报告遵循了图灵机的设计,并提出用电子元件构造计算机,约定了用二进制进行计算和存储,并且将计算机结构分成以下 5 个部分:
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输入设备;
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输出设备;
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内存;
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中央处理器;
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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
在冯诺依曼模型中,程序和数据被存储在一个被称作内存的线性排列存储区域。存储的数据单位是一个二进制位,英文是 bit。最小的存储单位叫作字节,也就是 8 位,英文是 byte,每一个字节都对应一个内存地址。内存地址由 0 开始编号,比如第 1 个地址是 0,第 2 个地址是 1, 然后自增排列,最后一个地址是内存中的字节数减 1。
我们通常说的内存都是随机存取器,也就是读取任何一个地址数据的速度是一样的,写入任何一个地址数据的速度也是一样的。
CPU
冯诺依曼模型中 CPU 负责控制和计算。为了方便计算较大的数值,CPU 每次可以计算多个字节的数据。
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如果 CPU 每次可以计算 4 个 byte,那么我们称作 32 位 CPU;
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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。
为什么 CPU 要这样设计呢? 因为一个 byte 最大的表示范围就是 0~255。比如要计算 20000*50,就超出了byte 最大的表示范围了。因此,CPU 需要支持多个 byte 一起计算。当然,CPU 位数越大,可以计算的数值就越大。但是在现实生活中不一定需要计算这么大的数值。比如说 32 位 CPU 能计算的最大整数是 4294967295,这已经非常大了。
控制单元和逻辑运算单元
CPU 中有一个控制单元专门负责控制 CPU 工作;还有逻辑运算单元专门负责计算。具体的工作原理我们在指令部分给大家分析。
寄存器
CPU 要进行计算,比如最简单的加和两个数字时,因为 CPU 离内存太远,所以需要一种离自己近的存储来存储将要被计算的数字。这种存储就是寄存器。寄存器就在 CPU 里,控制单元和逻辑运算单元非常近,因此速度很快。
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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。
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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。
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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 和内存以及其他设备之间,也需要通信,因此我们用一种特殊的设备进行控制,就是总线。总线分成 3 种:
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一种是地址总线,专门用来指定 CPU 将要操作的内存地址。
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还有一种是数据总线,用来读写内存中的数据。
当 CPU 需要读写内存的时候,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。
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最后一种总线叫作控制总线,用来发送和接收关键信号,比如后面我们会学到的中断信号,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。如果输入设备、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。
到这里,相信你已经对冯诺依曼模型的构造有了一定的了解。这里我再强调几个问题:
1. 线路位宽问题
第一个问题是,你可能会好奇数据如何通过线路传递。其实是通过操作电压,低电压是 0,高电压是 1。
如果只有一条线路,每次只能传递 1 个信号,因为你必须在 0,1 中选一个。比如你构造高高低低这样的信号,其实就是 1100,相当于你传了一个数字 10 过去。大家注意,这种传递是相当慢的,因为你需要传递 4 次。
这种一个 bit 一个 bit 发送的方式,我们叫作串行。如果希望每次多传一些数据,就需要增加线路,也就是需要并行。
如果只有 1 条地址总线,那每次只能表示 0-1 两种情况,所以只能操作 2 个内存地址;如果有 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;如果你希望操作 4G 的内存,那么就需要 32 条线,因为 232 是 4G。
到这里,你可能会问,那我串行发送行不行?当然也不是不行,只是速度会很慢,因为每多增加一条线路速度就会翻倍。
2. 64 位和 32 位的计算
第二个问题是,CPU 的位宽会对计算造成什么影响?
我们来看一个具体场景:要用 32 位宽的 CPU,加和两个 64 位的数字。
32 位宽的 CPU 控制 40 位宽的地址总线、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。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-485330.html
因此必须把两个 64 位数字拆成 2 个 32 位数字来计算,这样就需要一个算法,比如用像小时候做加法竖式一样,先加和两个低位的 32 位数字,算出进位,然后加和两个高位的 32 位数字,最后再加上进位。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-485330.html
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