前言：a=1+2这条代码是如何被CPU执行的呢？32位和64操作系统有什么区别呢？
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1.冯诺依曼模型
1945年冯诺依曼和其他计算机科学家提出了计算机具体实现的报告，遵循了图灵机的设计，提出用电子元件构造计算机，并约定用二进制进行计算和存储。
计算机的基本结构分成五个部分，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，这5个部分也被称为冯诺依曼模型，如图1所示：
图1 冯诺依曼模型
运算器、控制器是在中央处理器里的，存储器就我们常见的内存，输入输出设备则是计算机外接的设备，比如键盘就是输入设备，显示器就是输出设备。
存储单元和输入输出设备要与中央处理器交换数据的话，需要使用总线。它们的具体关系如图2所示：
图2 五大计算机结构的关系示意图
内存
我们的程序和数据都是存储在内存中，存取的区域是线性的。
数据存储的单位是一个二进制位，即0或1。最小的存储单位是字节，1字节等于8位。
内存的地址是从0开始编号的，然后自增排序，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；
这里的32位和64位，通常称为CPU的位宽。
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，因为内存里CPU太远了，而寄存器在CPU内部，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。
- 程序寄存器，用来存储CPU要执行下一条指令【所在的内存地址】。
- 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，指令都存放在这里。
总线
总线是用于CPU和内存以及其他设备之间的通信，总线可以分为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，一般需要通过两个总线：
首先要通过地址总线来指定内存的地址，再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。
2.线路位宽与CPU位宽
数据是如何通过线路传输的呢？其实是通过操作电压，低电压表示0，高电压则表示1.
如果构造了高低高这样的信号，其实就是101二进制数据，十进制表示5，如果只有一条线路，就意味着每次只能传递1bit的数据，即0或1，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，下一个bit必须等待上一个bit传输完成才能进行传输。当然，想一次多穿一些数据，增加线路即可，这是数据就可以并行传输。
为了避免低效率的串行传输方式，
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」这两种情况，所以 CPU 一次只能操作 2 个内存地址，如果想要 CPU 操作 4G 的内存，那么就需要 32 条地址总线，因为
2 ^ 32 = 4G
。
再来看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去加和两个低位的数字，就需要把这两个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位数字，并且64位CPU内部的逻辑结构运算单元也支持64位数字的计算。
但是并不代表32位数字的情况下，32位和64位CPU之间没什么区别，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8GB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.
3.程序执行的基本过程
接下来我们来看看程序在冯诺依曼模型上是怎么执行的。程序实际上是一条条指令，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。
那CPU执行程序的过程如下：
- 第一步，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。
- 第二步，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，则交给控制单元执行；
- 第三步，CPU执行完指令后，程序计数器的值自增，表示指向吓一跳指令。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，然后根据指令长度自增，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，这个不断循环的过程被称为CPU的指令周期。
4. a=1+2执行具体过程
知道了基本的程序执行过程后，接下来用a=1+2作为例子，进一步分析该程序在冯诺依曼模型的执行过程。
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能够真正认识的东西。
下面来看看a=1+2在32位CPU的执行过程。
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，内存会有个专门的区域来存放这些数据段。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；
注意，数据和指令是分开存放的，存放指令区域的地方称为正文段。
图1 指令和数据存放分布情况
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。
编译完成后，具体执行程序的时候，程序计数器会被设置为0x200地址，然后依次执行这4条指令。
上面的例子中，由于是在32位CPU执行的，因此一条指令时占32位大小，所以你会发现每条指令间隔4个字节。
而数据的大小是根据你在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。
5.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指令集，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位不同指令类型表示的内容也就不相同，主要有三种类型 R/I/J。
图2 MIPS指令类型
- R指令：用在算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器地址。如果是逻辑位移操作，后面还有唯一操作的位移量，而最后的功能码则是在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，就没有了位移量和功能吗，也没有了第三个寄存器，而是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；
编译器在编译过程中，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，这个过程叫做指令的解码。
现代大多数CPU都是用流水线的方式来执行指令，所谓的流水线就是把一个任我拆分成多个小任务，于是一条指令通常分为4个阶段，如下图：
图3 CPU执行指令的过程
四个阶段的含义：
- 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；
- CPU对指令进行解码，这个部分称为Decode；
- CPU执行指令，这个部分称为Execution；
- 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；
上面这4个阶段，我们称为指令周期，CPU的工作就是一个周期接着一个周期，周而复始。
6.指令的类型
指令从功能角度划分，可以分外香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是讲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，比如编程中常见的if-else/switch-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；
7.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1GHz的CPU，指的是时钟频率是1G，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么？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。
如何让程序跑的更快？
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。
时钟周期时间就是我们前面提及的CPU主频，主频越高说明CPU的工作速度就越快，比如2.4GHz主频的电脑，时钟周期时间就是1/2.4G。要想CPU跑的更快，自然缩短时钟周期时间，也就是提升CPU主频，但是当今的CPU主频已经很难提升了。
我们应该把目光放到另外一个乘法因子——CPU时钟周期数。
对于CPU时钟周期数我们可以进一步拆解成：指令数*每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per instructions, CPI）。所以有：
程序的CPU执行时间=指令数*CPI*时钟周期时间
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，以及那些指令。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，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会容易崩溃。
8.总结
64位相比32万箱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若果计算超过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.