重学操作系统（二）

重学操作系统（二）

前言

这一篇文章准备记录下关于32位和64位相关的知识点。32位和64位我们都熟悉，但是大部分人，包括我，都没有真正去研究过，今天借着拉钩教育这个教程，趁机学习并且总结下，留作以后回顾。

贯穿全文的思考：相比32位，64位的优势是什么？

图灵机的两大贡献

1. 定义了计算机的计算边界，即可计算理论
2. 定义了计算机的组成，和程序如何执行

图灵机的构造

图片来源于参考中的链接

可以看出，图灵机是很长的白色纸带（模仿内存）和读写头以及一些其它元件（储存元件，控制单元等）组成，这样图灵机就能模仿内存的读写了。

例如：计算11 + 15

1. 我们先把11，15，+分别写入纸带的三个格子，假定图灵机能识别数字和计算符号。
2. 图灵机将11和15读入控制单元，控制单元将数字存储到存储单元中。
3. 遇到加号，读写头将加号传输给控制单元，控制单元识别出加号是预设运算符，因此不放入存储单元，而是传输给运算单元，之后运算单元在存储单元取出11和15，进行运算，将结果存入存储单元，运算单元同时将结果返回给控制单元。
4. 控制单元将结果返回给读写头，读写头写出结果。

一个问题如果能拆解成图灵机的可执行步骤，那么这个问题就是客可运算的。

冯诺伊曼模型

图片来源于参考中的链接

冯诺伊曼模型基本遵循了图灵机的设计，主要分成5个部分：输入，输出，内存，CPU和总线，并且约定用二进制存储和计算，是现代计算机的鼻祖。现代计算机，不管多复杂，都遵循这个模型的设计方式。

冯诺伊曼模型 - 内存

程序和数据被存储在一个线性排列的存储区域内，存储单元是二进制（bit），最小单位为字节（8位，byte），每个字节对应一个内存地址。内存地址编号由0开始，依次递增（类似数组那种存储方式 0 - 长度 - 1）。内存是随机存取器，读写任何位置，速度一样。

冯诺伊曼模型 - CPU

冯诺伊曼模型中的CPU相对简单一些，负责控制和计算。CPU可以计算多个字节的数值，以应对较大数值计算。

1. 32位：CPU能计算4Byte
2. 64位：CPU能计算8Byte

为什么这么设计CPU？

一个byte范围是0-255，因此CPU需要支持多个byte一起计算。32位的CPU已经能计算到2³² - 1（4294967295）。

• 控制单元和逻辑运算单元

  • 控制单元负责控制CPU工作，逻辑运算单元负责计算。

• 寄存器

  • 存储将要被计算的数字，寄存器离计算单元和控制单元很近，速度很快。
  • 通用寄存器：可供用户编程，比如用来存加和指令的两个参数。
  • 特殊寄存器：程序指针是一个特殊寄存器，存储了CPU要执行的下一条指令所在的地址。
  • 指令寄存器：下一条指令被内存读入指令寄存器，在指令执行结束前，它都被存在指令寄存器中。

• 总线

  • 用于CPU和内存等其它设备通信用的
  • 地址总线：指定CPU将要操作的内存地址。
  • 数据总线：用来读写内存中的数据。
  • CPU读取内存：先通过地址总线指定内存地址，再通过数据总线来传输数据。
  • 控制总线：用来发送和接收关键信号，比如设备的中断，就绪，复位等信号。

• 输入输出设备

  • 输入设备：向计算机输入数据。
  • 输出设备：数据计算完，经过输出设备向外界传递。
  • 输入输出设备和CPU传递信号，需要用到控制总线。

线路位宽

数据是通过电压来传递的，低电压为0，高电压为1。如果只有一条线路，每次传一个信号，如果构造1100，就需要传递4次。这种一个bit一个bit发的方式，叫做串行。因此要一次传递多个信号，就需要增加线路。

例如：

一条地址总线，每次就能操作两个内存地址，0或者1。如果10条总线，可以操作1024个地址，如果希望操作4G内存地址，因此需要32条地址总线。串行可以接受，但是每增加一条总线，速度都会翻倍。

64位和32位的计算

场景：32位的CPU，加和两个64位的数。

32位的CPU计算大于32位的数，需要制定相应规则，比较麻烦，因此32位CPU最好操作32位的地址和数据总线。

计算过程：
将64位数拆成两个32位数计算，需要类似我们算数学题，先加和低位，后加和高位，然后加上进位。

而64位CPU可以直接读如64位数，然后进行计算。但是计算小于32位数字，两个CPU性能没区别。

32位CPU最多有32个寄存器，最多操作4G内存地址。

程序执行过程

CPU执行程序：

1. CPU读取PC指针指向的指令，把指令导入指令寄存器
    * 步骤一：CPU的控制单元操作地址总线，指定需要访问的内存地址
    * 步骤二：CPU通知内存设备住被数据，内存设备通过数据总线把数据传入CPU
    * 步骤三：CPU收到内存传来的数据，将数据存入指令寄存器
2. CPU分析指令寄存器的指令，确定类型和参数
3. 如果是计算类型的指令，交给逻辑运算单元计算，如果是存储指令，交给控制单元执行
4. PC指针自增，准备获取下一个指令

Tips: 32位系统，指令指针自增4（因为32位是4Byte）
More:
    1. 指令和数据一般不存在一起
    2. 64位CPU如果只有40条总线，也只能操作2的40次方的CPU地址（约 1T）
    3. 从PC指针读取指令，到执行，到下一个指令的循环，称为CPU指令周期

指令

1. 指令以16进制保存。
2. 构造指令的过程叫指令编码，通常由编译器完成。
3. 解析指令的过程，叫作指令解码，由CPU完成。
4. CPU解码过程：
    I. Fetch(获取): CPU通过PC指针读取对应内存地址的指令
    II. Decode: CPU对指令进行解码
    III. Execution: 执行指令
    IV. Store: CPU将结果存回寄存器或者寄存器存入内存

图片来源于参考中的链接

上述四个步骤，叫做CPU的指令周期。

指令的类型

不同类型的指令，参数个数，每个参数位宽都不一样，参数类型分三种：1. 寄存器； 2. 内存地址；3. 数值（整数或者浮点数）

指令从功能角度可划分为以下5类：
1. I/O类型指令：如处理和内存间交换数据的指令store/load等，或者数据从一个地址转移到另一个地址的指令mov
2. 计算类型指令：最多只能处理两个寄存器，比如加减乘除，位运算，比较大小等
3. 跳转类型指令：修改PC指针，例如编程中的：if-esle，switch-case，函数调用等
4. 信号类型指令：比如发送中断的指令trap
5. 闲置CPU指令nop：执行后，CPU空转一个周期

指令可以按照寻址模式区分，例如求和指令，可以分成：
1. 将两个寄存器的值相加的指令add
2. 将一个寄存器和一个整数相加的指令addi

load指令按寻址模式区分：
1. 直接寻址（la）：直接加载一个内存地址中的数据到寄存器
2. 寄存器寻址（li）：直接将一个数值导入寄存器
3. 间接寻址（lw）：将一个寄存器中的数值作为地址，再加载这个地址中的数据

指令的执行速度

CPU是利用脉冲转化为时钟信号驱动的，每一次时钟信号的高低电平的转换，就是一个周期，成为时钟周期。CPU主频，就是时钟信号的频率。比如1GHz的CPU，就是时钟信号的频率是1G。多数指令不能在一个时钟周期内完成。

总结

回到本文最开始，遗留的贯穿全文的问题，64位比32位的优势有哪些？

1. CPU方面：
    a. 64位CPU能执行更大数字的运算
    b. 64位CPU可以寻址更大的内存空间
2. 程序方面：
    a. 指的是指令是32位还是64位。64位机器兼容32位指令，因为只需要兼容机制。而32位机器执行64位指令很难，因为寄存器存不下64位指令
3. 操作系统方面：
    a. 64位操作系统安装不到32位机器

思考

CPU中怎么存对数？
CPU底层不能存对数，只能用逼近法，计算机按照位数，提前设计允许的误差值，
然后用e^x - a不断尝试不同x进行逼近。

参考

全文参考于：https://kaiwu.lagou.com/course/courseInfo.htm?courseId=478#/detail/pc?id=4608