【计算机结构】一个程序在计算机中是如何运行的?

标签: 计算机结构  计算器结构

01、目录

02、hello,world!

开门见山,不多说废话,hello,world!
再座各位,只要学习过一门语言,第一件事情应该就是它了吧!哈哈哈

比如我们写一段C程序代码。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	printf("hello,world!");

	system("pause");
	return 0;
}

熟悉吧,可能大家都知道,运行输出“Hello World!”,不过嘞,今天我带你从内存和CPU的角度去剖析一下这段代码在计算机中是如何执行的。

Hello World保存在哪?
首先问你个很简单的问题,当你写下这段代码的时候,你把它保存在哪了,假如说你说是桌面,就像现在这样
在这里插入图片描述

是的,一个Hello,World.c文件就保存在了桌面上,这个叫做c源文件,不过说是保存在桌面上这个有点模糊,这个桌面又是个啥呢,我们应该想象它保存在了我们电脑的哪个部分呢?一台计算机包含如下基本五个部分:

  1. 运算器
  2. 控制器
  3. 存储器
  4. 输入设备
  5. 输出设备

在计算机中啊,保存信息主要靠存储器,而存储器又分为内部存储器和外部存储器,内部存储器就是内存了,而这个外部存储器主要就是磁盘了,磁盘又分为硬盘和软盘,而我们电脑中的大部分就都是硬盘了,这里也分为固态硬盘和传统机械硬盘。

不管怎么说吧,磁盘也好内存也罢,就是用来存放数据的,那么我们就知道了我们写的这个c源文件应该就是存放在电脑中的磁盘了。

那么代码保存到硬盘中之后呢?

03、CPU与内存

代码被保存到硬盘之后,接下来就要CPU和内存登场了,提起精神了,超级干货来了。

告诉你个秘密,理解CPU和内存是如何在一块工作的,是每个学编程必备的基础中的基础,反正就是很重要!

甲:你们信不信?
乙:我不知道
甲:反正我是信了,这是个大佬!

我们在上面提到了硬盘,这里又说到了CPU和内存,那么我们就来看看这三个家伙

3.1 硬盘,内存,CPU

先看一张图:
先看一张图
这张图大致描述了三者的一个关系,什么关系嘞,数据读取的关系,我们之前不是说我们写的代码保存到了硬盘中了吗,如果要执行这段代码的话,需要把这段代码从硬盘中读取到内存中,此时的代码已经变成了二进制文件存储在内存中,为了更好的去理解,我们把上面的代码再进一步改写下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = a + b;
	printf("c=%d\n",c);

	/*二进制加法:
	10:  0101
	20:  00101
	*/	
	system("pause");
	return 0;
}

ok,这段代码,意思也是非常的清晰,也就是加入了一个基础的加法运算,此时这段代码已经变成二进制文件放到了内存中,现在要继续执行,也就是要执行代码的加法操作,此时的数据a和b,也就是10和20已经是二进制的形式在内存中,现在需要把a和b做加法运算,CPU收到这个指令(将a和b相加),就会去内存中将a和b读取,然后存放到自己的寄存器中,然后由CPU中的运算器去做加法运算,得到的结果依然放到寄存器中。

是不是有点懵?啥是寄存器?运算器呢?别急,我们继续往下看。

3.2 内存

这个内存是啥呢?内存条知道吧,我们电脑中的内存条,它是属于内部存储器,主要就是用来存放数据的,也可以理解为我们这里说的内存,这是实际存在的,我们可以看得见的内存条,但是关于数据存储,怎么存储,是不是还有点模糊,那么我们抽象点来说,这个内存其实就是一个个的小格子,就像这样:
在这里插入图片描述
这些小格子就是用来存放数据和指令的,而且每个格子都有自己的编号,这个编号大家也熟悉,就是我们经常说的内存地址。

另外你需要知道的是,计算机是只认识0和1的,所以存放在内存中的数据其实都是二进制文件了。

  • CPU是重点

其实关于内存,先了解上面那些就足够了,内容比较多的就是CPU了,想必大家都听说过CPU就相当于人的大脑一样,对电脑来说,至关重要,所以啊,CPU的结构是真的复杂,怎么办?

一般碰到这样的,我们就需要有选择的进行掌握和学习,因此对于CPU,你必须了解的两个东西,一是寄存器,另外一个就是运算器,为啥,这又是啥?

想要搞明白这个问题,咱们需要先来看看如下这些知识点。

  • CPU的特点

首先,这家伙是真的复杂,除此之外嘞,你还需要知道对于CPU来说,必须要把数据读取到寄存器中才能做相应的运算,另外CPU的数据读写的速度是真的快,内存和硬盘根本没法比,可能你没啥概念,举个例子吧

CPU这家伙执行一条指令大约需要耗时1ns,但是对于内存呢?它去硬盘读取数据至少8ms,在这段时间内,CPU可以执行大约800万条指令,说这个,主要是为了让你直观的感受到CPU是真的快。

就像《码农翻身》一书中说的那样:

CPU的运算速度快的丧心病狂,但是它能做的事情简单的令人发指

啥?为啥做的事情简单的令人发指呢?

别看CPU那么牛,那么复杂,那么快,它做的事情真的挺无聊的,总结起来,CPU主要就干如下四件事情:

  1. 从内存中读取数据,然后放到寄存器中
  2. 把寄存器中的数据写入到内存
  3. 进行数学运算和逻辑运算(加减乘除,AND,OR)
  4. 依据相应的条件进行跳转,执行其他指令(一条指令跳转到另外一条指令)

不知道你发现没,我们似乎一直在提寄存器,这又是什么玩意?这就要看看CPU的构造了

3.3 CPU的重点组成部分

我们上面也说了,CPU的结构真的很复杂,但是我们需要重点关注如下几个重要组成部分:

  • 寄存器
  • 运算器

没错就是这俩货,那他们是干啥的嘞,首先你得知道他们是CPU中的东西,这个寄存器啊,说白了就是存放数据的,是个存储部件,还记得之前说内存就是一个个的小格子吗?这个寄存器你就可以简单的想成也是小格子,放数据的。

  1. 寄存器
    寄存器是存储部件,容量非常有限,能存储的数据的大小,现在来说一般有两种,也就是我们常听说的32位和64位,32位的寄存器就能存储4个字节的数据,64位的寄存器就能存储8个字节的数据,另外CPU也分为32位和64位其实就是由其中的寄存器的位数决定的,可想而知,即使是64位的寄存器也干不了啥大事啊,所以啊,现在的CPU一般都内置了很多的寄存器,依此来完成比较复杂的操作

  2. 运算器
    另外一个就是运算器了,这个是计算的核心,主要的作用就是用来做加减乘除这些运算的,不过嘞,这里你需要知道的一点就是,运算器是没法直接操作内存中的数据的,很容易想到,运算器操作的数据是寄存器中存放的数据。

3.4 CPU和内存的交互

简单的了解了内存和CPU之后,我们就可以来看看程序代码是如何进一步被执行的,上面提到了,程序代码被读取到内存中了,现在要执行这段代码,那就需要CPU出马了,首先嘞,CPU会去读取需要进行操作的数据,对了,继续看这代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = a + b;
	printf("c=%d\n",c);

	/*二进制加法:
	10:  0101
	20:  00101
	*/	
	system("pause");
	return 0;
}

也就是需要读取数据a和b,那么读取到的数据a和b存放在哪了呢?根据我们上面对CPU简单的了解可知,数据a和b是被放到了CPU中的寄存器中了,看这个图:
在这里插入图片描述

在CPU中有两个比较重要的组件就是运算器和寄存器,寄存器有很多个,再看内存,是一个个的小格子,每个格子有编号,比如说现在数据a和b分别存放在#1和#2上,然后CPU将他们读取放在寄存器R1和R2上

在这里插入图片描述

这个时候就要计算a和b的和了,然后就轮到运算器出马了,它会拿到寄存器R1和R2,也就是拿到数据a和b,然后做加法运算
在这里插入图片描述

那么计算之后的结果也就是c,运算器会再次把它放到寄存器,比如R1中,这个时候之前的数据b就会被覆盖,如此一来,CPU和内存就一起完成一次加法运算操作。

这里其实我们把关注点聚焦到了加法运算操作,实际上,程序代码被装载近内存的时候会产生数据和指令两部分,数据我们都知道是啥,指令嘞?

其实也好理解,指令就是说明程序该怎么执行,对于CPU来说就是告诉CPU该做什么,比如告诉CPU,读取数据a和b,然后再将他们相加,说白了,CPU是根据指令干活,指令让怎么干,咱就怎么干。

因此,你必须告诉CPU该干啥,否则,CPU也很懵的呦。

经过上面的简单介绍,我们再来看看CPU主要做的四件事情:

  1. 从内存中读取数据,然后放到寄存器中
  2. 把寄存器中的数据写入到内存
  3. 进行数学运算和逻辑运算(加减乘除,AND,OR)
  4. 依据相应的条件进行跳转,执行其他指令(一条指令跳转到另外一条指令)

怎么样,是不是更加清晰明了!

04、总结

这么一看,也没啥难的吗?总的来说啊,就是我们写的程序是放在硬盘中的,在运行的时候才会被调入到内存中,也就是说内存中的数据是从硬盘来的,而CPU中寄存器的数据又是从内存中装载进来的,然后CPU会根据相应的指令去操作寄存器中的数据,比如加减乘除什么的,以此来完成一个程序在计算机中的运行。

一句话总结:

本身程序是在硬盘上,需要把程序加载进内存,然后由CPU去执行

另外对于内存啊,CPU什么呢还有很多有趣有用的知识,我们前面已经讲过一节!

何谓CPU?

非技术文章,欢迎转载。谢谢!

版权声明:本文为m0_43458204原创文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议,转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接:https://blog.csdn.net/m0_43458204/article/details/107700321