2.1 CPU 是如何执行程序的？
图灵机的工作方式
图灵机的基本组成如下：
- 有一条「纸带」，纸带由一个个连续的格子组成，每个格子可以写入字符，纸带就好比内存，而纸带上的格子的字符就好比内存中的数据或程序；
- 有一个「读写头」，读写头可以读取纸带上任意格子的字符，也可以把字符写入到纸带的格子；
- 读写头上有一些部件，比如存储单元、控制单元以及运算单元： 1、存储单元用于存放数据； 2、控制单元用于识别字符是数据还是指令，以及控制程序的流程等； 3、运算单元用于执行运算指令；
冯诺依曼模型
最重要的是定义计算机基本结构为 5 个部分，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，这 5 个部分也被称为冯诺依曼模型。
内存
在计算机数据存储中，存储数据的基本单位是字节（byte），1 字节等于 8 位（8 bit）。每一个字节都对应一个内存地址。
内存的地址是从 0 开始自增排列，最后一个地址为内存总字节数 - 1，类似于数组，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
32 位和 64 位 CPU 最主要区别在于一次能计算多少字节数据，通常称为 CPU 的位宽：
- 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；
- 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。
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，用来存放当前正在执行的指令，也就是指令本身，指令被执行完成之前，指令都存储在这里。
总线
总线是用于 CPU 和内存以及其他设备之间的通信，总线可分为 3 种：
- 地址总线，用于指定 CPU 将要操作的内存地址；
- 数据总线，用于读写内存的数据；
- 控制总线，用于发送和接收信号，比如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后自然进行响应，这时也需要控制总线；
当 CPU 要读写内存数据的时候，一般需要通过下面这三个总线：
- 首先要通过「地址总线」来指定内存的地址；
- 然后通过「控制总线」控制是读或写命令；
- 最后通过「数据总线」来传输数据；
输入、输出设备
输入设备向计算机输入数据，计算机经过计算后，把数据输出给输出设备。期间，如果输入设备是键盘，按下按键时是需要和 CPU 进行交互的，这时就需要用到控制总线了。
线路位宽与 CPU 位宽
对于 101 二进制数据，十进制则表示 5，如果只有一条线路，就意味着每次只能传递 1 bit 的数据，那么传输 101 这个数据，就需要 3 次才能传输完成，这样的效率非常低。
这样一位一位传输的方式，称为串行。为了避免低效率的串行传输的方式，线路的位宽最好一次就能访问到所有的内存地址。
CPU 要想操作的内存地址就需要地址总线：
- 如果地址总线只有 1 条，那每次只能表示「0 或 1」这两种地址，所以 CPU 能操作的内存地址最大数量为 2（2^1）个（注意，不要理解成同时能操作 2 个内存地址）；
- 如果地址总线有 2 条，那么能表示 00、01、10、11 这四种地址，所以 CPU 能操作的内存地址最大数量为 4（2^2）个。
那么，想要 CPU 操作 4G 大的内存，那么就需要 32 条地址总线，因为 2 ^ 32 = 4G。
知道了线路位宽的意义后，我们再来看看 CPU 位宽。
CPU 的位宽最好不要小于线路位宽，比如 32 位 CPU 控制 40 位宽的地址总线和数据总线的话，工作起来就会非常复杂且麻烦，所以 32 位的 CPU 最好和 32 位宽的线路搭配，因为 32 位 CPU 一次最多只能操作 32 位宽的地址总线和数据总线。
如果用 32 位 CPU 去加和两个 64 位大小的数字，就需要把这 2 个 64 位的数字分成 2 个低位 32 位数字和 2 个高位 32 位数字来计算，先加个两个低位的 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，就能算出结果了，可以发现 32 位 CPU 并不能一次性计算出加和两个 64 位数字的结果。
对于 64 位 CPU 就可以一次性算出加和两个 64 位数字的结果，因为 64 位 CPU 可以一次读入 64 位的数字，并且 64 位 CPU 内部的逻辑运算单元也支持 64 位数字的计算。
但是并不代表 64 位 CPU 性能比 32 位 CPU 高很多，很少应用需要算超过 32 位的数字，所以如果计算的数额不超过 32 位数字的情况下，32 位和 64 位 CPU 之间没什么区别的，只有当计算超过 32 位数字的情况下，64 位的优势才能体现出来。
另外，32 位 CPU 最大只能操作 4GB 内存，就算你装了 8 GB 内存条，也没用。而 64 位 CPU 寻址范围则很大，理论最大的寻址空间为 2^64。
对比
64 位相比 32 位 CPU 的优势在哪吗？64 位 CPU 的计算性能一定比 32 位 CPU 高很多吗？
64 位相比 32 位 CPU 的优势主要体现在两个方面：
- 64 位 CPU 可以一次计算超过 32 位的数字，而 32 位 CPU 如果要计算超过 32 位的数字，要分多步骤进行计算，效率就没那么高，但是大部分应用程序很少会计算那么大的数字，所以只有运算大数字的时候，64 位 CPU 的优势才能体现出来，否则和 32 位 CPU 的计算性能相差不大。
- 64 位 CPU 可以寻址更大的内存空间，32 位 CPU 最大的寻址地址是 4G，即使你加了 8G 大小的内存，也还是只能寻址到 4G，而 64 位 CPU 最大寻址地址是
2^64，远超于 32 位 CPU 最大寻址地址的2^32。
你知道软件的 32 位和 64 位之间的区别吗？再来 32 位的操作系统可以运行在 64 位的电脑上吗？64 位的操作系统可以运行在 32 位的电脑上吗？如果不行，原因是什么？
64 位和 32 位软件，实际上代表指令是 64 位还是 32 位的：
- 如果 32 位指令在 64 位机器上执行，需要一套兼容机制，就可以做到兼容运行了。但是如果 64 位指令在 32 位机器上执行，就比较困难了，因为 32 位的寄存器存不下 64 位的指令；
- 操作系统其实也是一种程序，我们也会看到操作系统会分成 32 位操作系统、64 位操作系统，其代表意义就是操作系统中程序的指令是多少位，比如 64 位操作系统，指令也就是 64 位，因此不能装在 32 位机器上。
总之，硬件的 64 位和 32 位指的是 CPU 的位宽，软件的 64 位和 32 位指的是指令的位宽。
指令的执行速度
对于 CPU 来说，在一个时钟周期内(1GHz的CPU时钟频率为1G，即一秒可以拥有1G个时钟周期），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。
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。
程序执行的时候，耗费的 CPU 时间少就说明程序是快的，对于程序的 CPU 执行时间，我们可以拆解成 CPU 时钟周期数和时钟周期时间的乘积。
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）」
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 会很容易崩溃。