计算机硬件基础-优快云博客

本文详细介绍了CPU的基本概念、工作原理、内部结构，包括寄存器、程序计数器和标志寄存器的功能。同时，阐述了内存的作用、物理结构以及内存与CPU之间的交互。还涉及到了磁盘存储、磁盘缓存和虚拟内存的概念，揭示了数据在内存和磁盘间的流动过程。

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CPU

什么是cpu

cpu全称是Central Processing Unit, 翻译为中央处理单元，可以说是计算机最为核心的部件。它就像是人类的大脑，起到获取、处理指令等核心逻辑。cup由几十亿个晶体管组成，这些晶体管的多少决定着算力的大小。

CPU的工作

cpu的核心是从程序或者应用程序获取指令并执行计算。主要由三个阶段：提取指令、解码、执行。cpu从RAM(Random Access Memory -主存)中提取指令，然后解码指令的实际内从，由cpu的相关部分负责执行该指令。

CPU的内部结构

从功能上看cpu由：控制器、运算器、时钟、寄存器四部分组成，各个部分通过电信号通信。

寄存器：暂存指令、数据和地址，是内存的一种
控制器：将指令、数据从主存上读取到寄存器，根据指令结果控制计算机
运算器：读入寄存器的数据进行算数处理和逻辑运算
时钟：发出cpu时钟信号

下面是java程序运行的大致流程，jvm虚拟机屏蔽了os的差异，将编译的成字节码文件翻译系统可以识别的机器码，最后交由cpu执行。内存是程序和cpu临时存储介质。

cpu主要由两个部分组成：

控制单元：提取指令并解码执行
算数逻辑单元（ALU）处理算数和逻辑运算

寄存器

cpu是寄存器的集合，一个cpu大概有几十个寄存器。将选取程序计数器、标志寄存器，这两个比较重要的寄存器进行讲解，其他寄存器有兴趣的可以查阅相关资料。

程序计数器

程序计数器（Program Counter）是用来存储下一条指令所在单元的地址。

在程序执行时，pc初始值为程序的第一条指令。在顺序执行的程序时，控制器根据pc地址从内存中取出一条指令，然后分析、执行指令，同时将pc值加一指向下一条执行的指令。

下面是一个简单的例子，将a，b赋值，然后相加显示到显示器上。

程序计数器控制程序的流程。

int a =1,b=2;

System.out.println(a + b);

标志寄存器

cpu在进行计算的时候，标志寄存器会根据运算结果自动设定，运算结果正、负、零三种，分别由三个标志位表示。标志寄存器的第一、二、三位为1时，分别表示正数、0、负数。

cpu执行指令过程

cpu执行指令的过程可以分为5个部分：取指令、指令译码、执行指令、访问存储、结果回写。

取指令：将指令从内存读取到寄存器。
指令译码：指令译码器按照预定的格式，对取出的指令进行拆分和解释，识别区分不同的指令和各种获取操作数的方式。
执行指令：完成指令的具体操作，实现指令功能。
访问存储：需要从主存中提数时，会根据指令地址得到操作数在主存的地址，然后从主存中读取操作数用做运算。
结果回写：作为最后阶段，将前面阶段执行结果回写到存储介质：如cpu将结果回写到寄存器中，以便后续指令执行。

内存

什么是内存

内存（Memory）是计算机最重要的部件之一，是程序和cpu沟通的桥梁。计算机所有的程序都是运行在内存中的，内存通常又称为主存。内存的作用主要是存放cpu运行的数据，以及和硬盘等外部存储设备交换的数据。

计算机在运行的中，cpu会将需要的数据存储到内存中进行运算，等运算完成之后将结果传送出来。

内存的物理结构

相信大家一定看过下面的图片，这是一个海力士的4G内存条。记得上大学的时候卖的32位笔记本，当时电脑内存是2G，后面玩游戏感觉卡，又去买了个2G的内存条，当时花了我两百多。现在pc内存一般都是64位16G以上了，开几个办公个软件就占用了10G的内存。

存储内部就是IC电路组成的，主要是三种存储器：

随机存储器（ROM）: 可以读写数据，掉电数据丢失；
只读存储器（RAM）: 只可以读取数据，掉电数据不会丢失；
高速缓存（Cache）：通常分为L1、L2、L3 Cache三级缓存，数字越大读写速度越慢越便宜，容量越大，L1 Cache 容量是多少KB，L2、L3Cache容量是多少MB。工作流程是：Cpu从cache中获取数据，没有数据再从主存中获取数据，然后主存缓存到cache中，cpu再次获取数据时直接从Cache中获取数据。

内存ic引脚的配置：

A0-A9是地址信号，D0-D7是数据信号，一次可以输入8bit = 1byte的数据，A0-A9地址信号可以表示0000 0000 00 -- 1111 1111 11共计2的10次方=1024个地址，每个地址存储1byte数据，那么整个ic可以存储1024*1byte=1kb的数据。实际情况下，一个内存的ic将会有更多的引脚可以存储更多的数据。

内存的现实模型

如上图每层可以存储1byte数据，一共有1024层。

我们程序的数据不仅有数据数值，还有数据类型。按照数据类型，数据占据的层数不同。

下图中a是byte类型的数据，那么分配内存的时候地址是00000 00000，占用一层；short类型的b数据，大小是16位占用两个字节，所以分配的内存是连续的两层：00000 00001 00000 00002。

        byte a;
        short b;

磁盘

什么是磁盘

内存和磁盘都是存储设备，内存是通过电信号存储数据，磁盘是通过磁记录技术实现存储的。相比于内存高速、昂贵的存储设备，磁盘特点是速度较慢、价格低廉。内存的数据在电脑断电后会丢失，磁盘的数据会永久保存。内存是内存存储设备，磁盘是属于外部存储设备。

磁盘的物理结构

磁盘表面被磁道分为不同的同心圆，然后每个磁道被划分为若干段，每段称作为扇区。扇区的大小一般是512个字节，一个扇区又称作为1簇，1簇可以是1kb、4kb、64kb。文件在存储到磁盘时最小单位是簇。

磁盘缓存

由于磁盘读取数据速度相对较慢，为了加快访问数据，设计了磁盘缓存。像从内存中读取数据缓存到高速缓存中一样，磁盘也有缓存。首次读取磁盘的数据时会缓存下来，接下来获取相同数据时就可以直接从缓存中获取数据，这样大大提高了读取速度。7200r/s磁盘的寻址速度是1/7200 = 0.14ms,而内存的寻址速度是ns级别的，两则速度相差了大概4、5个数量级。

下图是磁盘缓存逻辑图：