正文
图灵机的工作方式
要想知道程序执行的原理，我们可以先从「图灵机」说起，图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，而且还定义了计算机由哪些部分组成，程序又是如何执行的。
图灵机长什么样子呢从下图可以看到图灵机的实际样子：
- 接着，读写头读入 1 到存储设备中，这个存储设备称为图灵机的状态；
- 读写头再往右移动一个格，就会碰到 + ，读写头读到 + 后，将 + 传输给「控制单元」，控制单元发现是一个 + 而不是数字，所以没有存入到状态中，因为 是运算符指令，作用是加和目前的状态，于是通知「运算单元」工作。运算单元收到要加和状态中的值的通知后，就会把状态中的 1 和 2 读入并计算，再将计算的结果 3 存放到状态中；
通过上面的图灵机计算 的过程，可以发现图灵机主要功能就是读取纸带格子中的内容，然后交给控制单元识别字符是数字还是运算符指令，如果是数字则存入到图灵机状态中，如果是运算符，则通知运算符单元读取状态中的数值进行计算，计算结果最终返回给读写头，读写头把结果写入到纸带的格子中。
事实上，图灵机这个看起来很简单的工作方式，和我们今天的计算机是基本一样的。接下来，我们一同再看看当今计算机的组成以及工作方式。
冯诺依曼模型
在 1945 年冯诺依曼和其他计算机科学家们提出了计算机具体实现的 告，其遵循了图灵机的设计，而且还提出用电子元件构造计算机，并约定了用二进制进行计算和存储，还定义计算机基本结构为 5 个部分，分别是中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备、总线。
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，则交由「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，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。
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 的作为例子，进一步分析该程序在冯诺伊曼模型的执行过程。
CPU 是不认识 这个字符串，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 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，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；
注意，数据和指令是分开区域存放的，存放指令区域的地方称为「正文段」。
一起具体看看这三种类型的含义：
- 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：「 指令将寄存器 和 的数据相加，并把结果放入到 」，翻译成机器码。
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：
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，比如我手头上的电脑的 CPU 是 2.4 GHz 四核 Intel Core i5，这里的 2.4 GHz 就是电脑的主频，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，但是今非彼日，摩尔定律早已失效，当今的 CPU 主频已经很难再做到翻倍的效果了。
另外，换一个更好的 CPU，这个也是我们软件工程师控制不了的事情，我们应该把目光放到另外一个乘法因子 —— CPU 时钟周期数，如果能减少程序所需的 CPU 时钟周期数量，一样也是能提升程序的性能的。
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 ）」，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。
很多厂商为了跑分而跑分，基本都是在这三个方面入手的哦，特别是超频这一块。
总结
最后我们再来回答开头的问题。
64 位相比 32 位 CPU 的优势在哪吗4 位 CPU 的计算性能一定比 32 位 CPU 高很多吗/p>
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 ，远超于 32 位 CPU 最大寻址地址的 。
你知道软件的 32 位和 64 位之间的区别吗来 32 位的操作系统可以运行在 64 位的电脑上吗4 位的操作系统可以运行在 32 位的电脑上吗果不行，原因是什么/p>
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。
絮叨
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