CPU 执行程序的秘密，藏在了这 15 张图里( 二 )
- 最后 ， 运算单元将结果返回给控制单元 ， 控制单元将结果传输给读写头 ， 读写头向右移动 ， 把结果 3 写入到纸带的格子中；
文章插图通过上面的图灵机计算 1 + 2 的过程 ， 可以发现图灵机主要功能就是读取纸带格子中的内容 ， 然后交给控制单元识别字符是数字还是运算符指令 ， 如果是数字则存入到图灵机状态中 ， 如果是运算符 ， 则通知运算符单元读取状态中的数值进行计算 ， 计算结果最终返回给读写头 ， 读写头把结果写入到纸带的格子中 。
事实上 ， 图灵机这个看起来很简单的工作方式 ， 和我们今天的计算机是基本一样的 。 接下来 ， 我们一同再看看当今计算机的组成以及工作方式 。
文章插图冯诺依曼模型在 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 ， 还定义计算机基本结构为 5 个部分 ， 分别是中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备、总线 。
文章插图这 5 个部分也被称为冯诺依曼模型 ， 接下来看看这 5 个部分的具体作用 。
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 。
数据存储的单位是一个二进制位（bit） ， 即 0 或 1 。 最小的存储单位是字节（byte） ， 1 字节等于 8 位 。
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 。
中央处理器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；
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 。
- 地址总线 ， 用于指定 CPU 将要操作的内存地址；
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