计算机原理概览（3）内存和 CPU ：计算机的核心

## 内存和 CPU ：计算机的核心

- **锁存器**

锁存器是一种简单的电路，能存储 1 位的数据。它由晶体管组成的逻辑门组合构成。其工作流程如下：

当允许写入线路（write line）为 1 时（即允许写入线路开启），输入线路（input line）的值被存储到锁存器中。

当允许写入线路为 0 时，锁存器的值保持不变。

锁存器是数字电路中的基础单元，它构成了更复杂存储电路的构建的基石。

- **寄存器**

与锁存器类似，寄存器是能够存储多位数据的电路，它由一组锁存器组成。

例如，一个 32 位宽的寄存器就由 32 个锁存器构成，能够存储一个 32 位的数字。

现代计算机 CPU 中的寄存器，位宽一般是 32 位或 64 位。

寄存器位于 CPU 内部，虽然其容量比较小，但能提供非常快速的存储，所以通常用来存储指令、数据和中间结果。

- **内存**

内存又称为 RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）。

每个内存单元能存储 1 个字节，而字节则是 8 个锁存器的组合，每个锁存器存储 1 位。

内存单元被组织成行和列的形式，以便利用多路复用技术和门矩阵来简化地址查找过程。

这样，每个内存单元的地址其实就是其行和列的编号。

- **高速缓存**

高速缓存是 CPU 内部的一块小型快速内存，位于 CPU 和主内存之间，

高速缓存用于减少 CPU 读取主内存的平均时间。

它的容量远小于内存，但速度可以接近处理器运行的频率。

和 CPU 交互的指令和数据会优先存储到高速缓存中。

高速缓存对于程序性能有着巨大的影响。

- **指令**

内存中的程序由一系列操作组成，这些操作通常被称为指令，它是由二进制位组成的，用于告诉计算机执行特定的任务。

每一条指令都对应着计算机的一项具体操作，如执行算术运算、数据传输、条件判断等。

指令的组成通常包括以下几个部分： 操作码（Opcode）、操作数（Operand）和地址码（Addressing mode）。

操作码用于识别指令要执行的具体操作，例如加法、减法、乘法等。操作码一般占据指令的前几个二进制位。

如果是数学运算操作码，CPU 会让 ALU 执行运算，然后把结果存储到内存（寄存器）中。

如果是内存操作操作码，CPU 会把内存的数据读取到寄存器中，或者把寄存器的数据写入内存。

操作数是指令的参数或数据，用于指定指令要操作的数据或者操作的地址。操作数可以是立即数（Immediate）、寄存器中的数据（Register）、内存中的数据（Memory）等。

寻址模式指明了操作数的寻址方式，即指令如何找到操作数所在的地址。寻址方式可以是直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等。

编程语言的代码会被编译器或解释器转换成相应的指令序列。

不同的编程语言可以有不同的语法和语义来表示相同的指令，但它们都最终会被转化为相应的机器码指令。

- **CPU**

把 ALU、寄存器和控制单元组合在一起，就构成了计算机的心脏 CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。

CPU 负责执行内存中的程序，其工作流程简单来说就是不断地从内存中取出指令并执行。

计算机启动时 CPU 将"指令地址寄存器" 连到内存的地址总线上，然后从内存中读取指令。

读取到的指令被存储到 "指令寄存器" 中，然后通过逻辑门电路（控制单元）解码指令寄存器中的指令，

接着由 "控制单元" 发出控制信号，控制 CPU 的其他部件执行这条指令，

最后把 "指令地址寄存器" 的值加 1，指向下一条指令的地址,完成一次循环。

- **CPU 时钟**

最后，贯穿在 CPU 所有工作之中的，是 CPU 的时钟。

它产生的时钟信号以固定的频率发出，控制着 CPU 内部各个部件的操作以及指令的执行。

CPU 的时钟频率是指 CPU 执行指令的速度，通常以赫兹（Hz）为单位，表示单位时间内信号的周期数。

通常这个频率越高，CPU 执行任务的速度就越快，因为它可以在单位时间内处理更多的指令。

但是，每个时钟周期内 CPU 可以完成的操作数(Instructions Per Cycle, IPC)也是一个很重要的性能指标。

也就是说，一个具有较低频率但高 IPC 的 CPU，可能会比频率高但 IPC 低的 CPU 性能更好。

这种情况下，即使时钟脉冲较少，但由于每次脉冲可以执行更多的指令，因此总体效率可能更高。

现代计算机的 CPU 时钟频率通常以千兆赫（GHz）为单位，这意味着每秒可以进行数十亿次操作。