一、程序执行的基本过程

程序实际上是⼀条⼀条指令，所以程序的运⾏过程就是把每⼀条指令⼀步⼀步的执⾏起来，负责执⾏指令的就是 CPU 了。

CPU 执行程序的过程如下 ：

• CPU 读取「程序计数器」的值，这个值是指令的内存地址，然后 CPU 的「控制单元」操作「地址总线」指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过「数据总线」将指令数据传给 CPU，CPU 收到内存传来的数据后，将这个指令数据存⼊到「指令寄存器」。
• CPU 分析「指令寄存器」中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给「逻辑运算单元」运算；如果是存储类型的指令，则交由「控制单元」执⾏；
• CPU 执⾏完指令后，「程序计数器」的值⾃增，表示指向下⼀条指令。这个⾃增的⼤小，由CPU 的位宽决定，⽐如 32 位的 CPU，指令是 4 个字节，需要 4 个内存地址存放，因此「程序计数器」的值会⾃增 4；

简单总结⼀下就是，⼀个程序执⾏的时候，CPU 会根据程序计数器⾥的内存地址，从内存⾥⾯把需要执⾏的指令读取到指令寄存器⾥⾯执⾏，然后根据指令⻓度⾃增，开始顺序读取下⼀条指令。

CPU 从程序计数器读取指令、到执⾏、再到下⼀条指令，这个过程会不断循环，直到程序执⾏结束，这个不断循环的过程被称为 CPU 的指令周期。

二、a = 1 + 2 执行具体过程

CPU 是不认识 a = 1 + 2 这个字符串的，这些字符串只是⽅便我们程序员认识，要想这段程序能跑起来，还需要把整个程序翻译成汇编语⾔的程序，这个过程称为编译成汇编代码。

针对汇编代码，我们还需要⽤汇编器翻译成机器码，这些机器码由 0 和 1 组成的机器语⾔，这⼀条条机器码，就是⼀条条的计算机指令，这个才是 CPU 能够真正认识的东⻄。

以32位CPU中 a=1+2 执行过程为例：

程序编译过程中，编译器通过分析代码，发现 1 和 2 是数据，于是程序运⾏时，内存会有个专⻔的区域来存放这些数据，这个区域就是「数据段」。如下图，数据 1 和 2 的区域位置：

• 数据 1 被存放到 0x100 位置；
• 数据 2 被存放到 0x104 位置；

编译器会把 a = 1 + 2 翻译成 4 条指令，存放到正⽂段中。如图，这 4 条指令被存放到了 0x200 ~ 0x20c的区域中：

• 0x200 的内容是 load 指令将 0x100 地址中的数据 1 装⼊到寄存器 R0 ；
• 0x204 的内容是 load 指令将 0x104 地址中的数据 2 装⼊到寄存器 R1 ；
• 0x208 的内容是 add 指令将寄存器 R0 和 R1 的数据相加，并把结果存放到寄存器 R2 ；
• 0x20c 的内容是 store 指令将寄存器 R2 中的数据存回数据段中的 0x108 地址中，这个地址也就
  是变量 a 内存中的地址；

编译完成后，执⾏程序的时候，程序计数器会被设置为 0x200 地址，然后依次执⾏这 4 条指令。

由于是在 32 位 CPU 执⾏的，因此⼀条指令是占 32 位⼤⼩，所以每条指令间隔4 个字节。

而数据的大小是根据程序中指定的变量类型，⽐如 int 类型的数据则占 4 个字节， char 类型的数据则占 1 个字节。

1、指令

上⾯的例⼦中，图中指令的内容是简易的汇编代码，⽬的是为了⽅便理解指令的具体内容，事实上指令的内容是⼀串⼆进制数字的机器码，每条指令都有对应的机器码，CPU 通过解析机器码来知道指令的内容。
不同的 CPU 有不同的指令集，也就是对应着不同的汇编语⾔和不同的机器码，接下来选⽤最简单的 MIPS指集，来看看机器码是如何⽣成的，这样也能明⽩⼆进制的机器码的具体含义。MIPS 的指令是⼀个 32 位的整数，⾼ 6 位代表着操作码，表示这条指令是⼀条什么样的指令，剩下的 26位不同指令类型所表示的内容也就不相同，主要有三种类型R、I 和 J。

这三种类型指令的含义：

• R 指令，⽤在算术和逻辑操作，⾥⾯由读取和写⼊数据的寄存器地址。如果是逻辑位移操作，后⾯还有位移操作的「位移量」，⽽最后的「功能码」则是再前⾯的操作码不够的时候，扩展操作码来表示对应的具体指令的；
• I 指令，⽤在数据传输、条件分⽀等。这个类型的指令，就没有了位移量和操作码，也没有了第三个寄存器，⽽是把这三部分直接合并成了⼀个地址值或⼀个常数；
• J 指令，⽤在跳转，⾼ 6 位之外的 26 位都是⼀个跳转后的地址；

接下来，我们把前⾯例⼦的这条指令：「 add 指令将寄存器 R0 和 R1 的数据相加，并把结果放⼊到
R2 」，翻译成机器码。

加和运算 add 指令是属于 R 指令类型：

• add 对应的 MIPS 指令⾥操作码是 000000 ，以及最末尾的功能码是 100000 ，这些数值都是固定的，查⼀下 MIPS 指令集的⼿册就能知道的；
• rs 代表第⼀个寄存器 R0 的编号，即 00000 ；
• rt 代表第⼆个寄存器 R1 的编号，即 00001 ；
• rd 代表⽬标的临时寄存器 R2 的编号，即 00010 ；
• 因为不是位移操作，所以位移量是 00000

把上⾯这些数字拼在⼀起就是⼀条 32 位的 MIPS 加法指令了，那么⽤ 16 进制表示的机器码则是
0x00011020 。

编译器在编译程序的时候，会构造指令，这个过程叫做指令的编码。

CPU 执⾏程序的时候，就会解析指令，这个过程叫作指令的解码。

现代⼤多数 CPU 都使⽤来流⽔线的⽅式来执⾏指令，所谓的流⽔线就是把⼀个任务拆分成多个⼩任务，于是⼀条指令通常分为 4 个阶段，称为 4 级流⽔线，如下图：

四个阶段的具体含义：

• CPU 通过程序计数器读取对应内存地址的指令，这个部分称为 Fetch（取得指令）；
• CPU 对指令进⾏解码，这个部分称为 Decode（指令译码）；
• CPU 执⾏指令，这个部分称为 Execution（执⾏指令）；
• CPU 将计算结果存回寄存器或者将寄存器的值存⼊内存，这个部分称为 Store（数据回写）；

上⾯这 4 个阶段，我们称为指令周期（Instrution Cycle），CPU 的⼯作就是⼀个周期接着⼀个周期，周⽽复始。事实上，不同的阶段其实是由计算机中的不同组件完成的：

• 取指令的阶段，我们的指令是存放在存储器⾥的，实际上，通过程序计数器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器操作的；
• 指令的译码过程，也是由控制器进⾏的；
• 指令执⾏的过程，⽆论是进⾏算术操作、逻辑操作，还是进⾏数据传输、条件分⽀操作，都是由算术逻辑单元操作的，也就是由运算器处理的。但是如果是⼀个简单的⽆条件地址跳转，则是直接在控制器⾥⾯完成的，不需要⽤到运算器。

2、指令的类型

从功能⻆度划分，可以分为 5 ⼤类：

• 数据传输类型的指令，⽐如 store/load 是寄存器与内存间数据传输的指令， mov 是将⼀个内存地址的数据移动到另⼀个内存地址的指令；
• 运算类型的指令，⽐如加减乘除、位运算、⽐较⼤⼩等等，它们最多只能处理两个寄存器中的数据；
• 跳转类型的指令，通过修改程序计数器的值来达到跳转执⾏指令的过程，⽐如编程中常⻅的 ifelse 、 swtich-case 、函数调⽤等。
• 信号类型的指令，⽐如发⽣中断的指令 trap ；
• 闲置类型的指令，⽐如指令 nop ，执⾏后 CPU 会空转⼀个周期；

3、指令的执行速度

CPU 的硬件参数都会有 GHz 这个参数，⽐如⼀个 1 GHz 的 CPU，指的是时钟频率是 1 G，代表着 1 秒会产⽣ 1G 次数的脉冲信号，每⼀次脉冲信号⾼低电平的转换就是⼀个周期，称为时钟周期。
对于 CPU 来说，在⼀个时钟周期内，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。
⼀个时钟周期⼀定能执⾏完⼀条指令吗？答案是不⼀定的，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。

4、如何让程序跑的更快？

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 ）」，于是程序的 CPU 执⾏时间的公式可变成如下：

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（Pipline），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 会很容易奔溃。

整理自小林coding所著的《图解网络》，仅做学习用，侵删