c++ 基础 计算机的内存和寻址机制

计算机的内存和寻址机制

CPU通过地址总线访问内存中的指令和数据，RAM提供临时存储，ROM存储固件，Cache加速数据访问。这些部件协同工作，完成代码的加载、解码、执行和结果存储。

微处理器

微处理器是计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。

• 主要组件：
  • ALU（算术逻辑单元）：执行算术和逻辑运算。
  • CU（控制单元）：从内存中提取指令并解码，控制其他部件工作。
  • 寄存器（Registers）：高速存储单元，用于临时存放数据和地址。
    • 例如：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、累加器（ACC）等。
• 工作过程：
  1. 取指令（Fetch）：从内存中读取下一条指令。
  2. 解码指令（Decode）：解析指令的操作码和操作数。
  3. 执行指令（Execute）：执行指令（如算术运算、数据移动等）。
  4. 写回结果（Writeback）：将结果写回寄存器或内存。

内存

内存是计算机用于存储数据和指令的硬件部件，分为RAM（随机存取存储器）**和**ROM（只读存储器）。

• RAM（Random Access Memory） ，也叫主存（堆、栈等）：
  • 特点：可读写、易失性（断电后数据丢失）。
  • 作用：存储正在运行的程序和数据，供CPU快速访问。通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。
  • 分类：
    • DRAM（动态RAM）：需要定期刷新，常用于主内存。
    • SRAM（静态RAM）：速度快，常用于高速缓存（Cache）。
• ROM（Read-Only Memory）：
  • 特点：只读、非易失性（断电后数据不丢失）。
  • 作用：存储固件（如BIOS/UEFI）和启动程序。

寻址

寻址是指CPU通过内存地址访问内存中的数据或指令的过程。内存被划分为多个存储单元，每个单元有一个唯一的地址。

• 地址总线（Address Bus）：
  • 用于传输内存地址，决定CPU可以访问的内存空间大小。
  • 例如，32位地址总线可以寻址（2^32） 4GB 的内存空间。
• 数据总线（Data Bus）：
  • 用于在CPU和内存之间传输数据，宽度决定每次可以传输的数据量。
  • 例如，64位数据总线一次可以传输8字节数据。
• 控制总线（Control Bus）：
  • 用于传输控制信号，如读/写信号、时钟信号等。

补充： 64位数据总线一次可以传输8字节数据

1. 理解“位”和“字节”

• 位（bit）：计算机中最小的数据单位，表示一个二进制位（0或1）。
• 字节（byte）：由8个二进制位组成，是计算机中常用的数据单位。

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2. 数据总线的宽度

• 数据总线的宽度决定了CPU和内存之间一次可以传输的数据量。
• 64位数据总线意味着总线可以同时传输64个二进制位。

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3. 计算传输的字节数

• 1字节 = 8位。

• 因此，64位数据总线一次可以传输的字节数为：

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4. 举例说明

假设CPU通过64位数据总线从内存中读取数据：

• 数据总线一次可以传输64位数据。
• 64位数据 = 8字节数据（因为64 ÷ 8 = 8）。

高速缓存（Cache）

• 位于CPU和RAM之间，用于存储频繁访问的数据和指令。
• 分为L1、L2、L3三级缓存，速度依次降低，容量依次增大。
• 作用：减少CPU访问内存的延迟，提高程序执行效率。

计算机执行代码的详细过程