CPU，内存，硬盘，指令以及他们之间的关系

Posted 2020-09-04

1. CPU

CPU，Central Processing Unit的缩写，中文名是中央处理器，负责机器语言程序的解释和执行，以及计算机设备的控制。重点掌握程序的运行流程：程序员编写高级语言程序→编译成计算机能识别的机器语言程序，生成.exe文件→程序运行时，内存生成.exe文件副本→CPU解释并执行程序内容。

CPU和内存是由许多晶体管组成的电子元件，成为IC（Integrated Circuit）集成电路。包括四个部分：寄存器，控制器，运算器，时钟（Clock Puzzle）。

·寄存器暂存指令和数据，一个CPU常有20~100个寄存器；

·控制器负责将内存中的指令和数据读入寄存器中，并通过CPU的执行结果控制整个计算机，所谓的控制其实可以简单理解为是除与运算以外的CPU与外界的输入输出。

·运算器运算从内存读入寄存器中的数据和指令；

·时钟负责发出CPU开始计时的时钟信号。

 

2. 内存

         内存是计算机的主存储器（main memory），通过控制芯片与CPU相连，负责存储数据和指令。由可读写的器件构成，常使用DRAM（Dynamic Random Access Memory 动态随机存取存储器）芯片，可对任意地址读写数据，按字节存放和编址，CPU通过地址访问内存。关键是计算机关机时内存中的东西会被清除。

         内存的物理机制很简单，内存实际上是一种名为内存IC 的电子元件。内存IC 包括DRAM、SRAM、ROMA 等多种形式，ROM（Read Only Memory）是一种只能用来读取的内存；RAM（Random Access Memory）是可被读取和写入的内存，分为需要经常刷新（refresh）以保存数据的DRAM（Dynamic RAM）；以及不需要刷新电路即能保存数据的SRAM（Static RAM）。内存IC 中有电源、地址信号、数据信号、控制信号等用于输入输出的大量引脚（IC 的引脚），通过为其指定地址（address），来进行数据的读写。现在A0~A9，D0~D9，根据需要设置二进制数值，通过调整控制信号RD和WR引脚的0,1值，在内存IC中读写数据。

 

3. 硬盘

         硬盘和内存都属于计算机的存储器，内存利用电流来实现存储，磁盘利用磁效应来实现存储的。而从存储容量来看，内存是高速高价，而磁盘则是低速廉价。因为磁盘读取速度慢，与CPU的高效无法匹配，所以硬盘中的程序加载到内存中，再送入CPU中执行。

         ·硬盘和内存的关系

         把从磁盘中读出的数据存储到内存空间中有两种方式：

         ①磁盘缓存disk cache

         读取同一数据时，不用通过实际的磁盘，而是从磁盘缓存中把内容读出。过程是：首次读出时从硬盘读取（低速）→将数据保存到高缓中→再次读取同一数据时从高缓读出。

         ②虚拟内存virtual memory

         把磁盘的一部分作为假想的内存来使用。虚拟内存虽说是把磁盘作为内存的一部分来使用，但实际上正在运行的程序部分，必须在内存中的。也就是说，为了实现虚拟内存，就必须把实际内存（也可称为物理内存）的内容，和磁盘上的虚拟内存的内容进行部分置换（swap），并同时运行程序。具体有两种：分段式和分页式，以页或段为单位在内存和磁盘间进行置换。

 

4. 指令

一般所说的程序，譬如运动会、音乐会的程序等，指的是“行事的先后次序”。计算机程

序也是一样的道理。程序是指令和数据的组合体。例如，C 语言“printf (" 你好");”这个简单的程序中，printf 是指令，" 你好" 是数据。CPU 能够直接识别和执行的只有机器语言。使用C、Java 等语言编写的程序，最后都会转化成机器语言。硬盘和磁盘等媒介上保存的程序被复制到内存后才能运行。内存中保存命令和数据的场所，通过地址来标记和指定。地址由整数值表示。 计算机的构成元件中，根据程序的指令来进行数据运算，并控制整个计算机的设备称作CPU。大家熟知的奔腾（Pentium）就是CPU 的一种。