淺談CPU、內存、硬盤和指令的協同工作

CPU

CPU組成結構

中央處理器 (英語:Central Processing Unit,縮寫:CPU),是計算機的主要設備之一,功能主要是解釋計算機指令軟件中的數據。

  • 簡單的來說,CPU就相當于我們人類的大腦。

CPU的內部組成

  1. 算術邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)
    ALU是運算器的核心。它是以全加器為基礎,輔之以移位寄存器及相應控制邏輯組合而成的電路,在控制信號的作用下可完成加、減、乘、除四則運算和各種邏輯運算。就像剛才提到的,這里就相當于工廠中的生產線,負責運算數據。

  2. 寄存器組 RS(Register Set或Registers)
    RS實質上是CPU中暫時存放數據的地方,里面保存著那些等待處理的數據,或已經處理過的數據,CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內存的時間短。采用寄存器,可以減少CPU訪問內存的次數,從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限,寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的,分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規定其用途。通用寄存器的數目因微處理器而異。

  3. 控制單元(Control Unit)
    正如工廠的物流分配部門,控制單元是整個CPU的指揮控制中心,由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)三個部件組成,對協調整個電腦有序工作極為重要。它根據用戶預先編好的程序,依次從存儲器中取出各條指令,放在指令寄存器IR中,通過指令譯碼(分析)確定應該進行什么操作,然后通過操作控制器OC,按確定的時序,向相應的部件發出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節拍脈沖發生器、控制矩陣、時鐘脈沖發生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。

  4. 總線(Bus)
    就像工廠中各部位之間的聯系渠道,總線實際上是一組導線,是各種公共信號線的集合,用于作為電腦中所有各組成部分傳輸信息共同使用的“公路”。直接和CPU相連的總線可稱為局部總線。其中包括:數據總線DB(Data Bus)、地址總線AB(Address Bus) 、控制總線CB(Control Bus)。其中,數據總線用來傳輸數據信息;地址總線用于傳送CPU發出的地址信息;控制總線用來傳送控制信號、時序信號和狀態信息等。

內存

內存工作原理
  • 內存是計算機中重要的部件之一,它是與CPU進行溝通的橋梁。計算機中所有程序的運行都是在內存中進行的,因此內存的性能對計算機的影響非常大。內存(Memory)也被稱為內存儲器,其作用是用于暫時存放CPU中的運算數據,以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。只要計算機在運行中,CPU就會把需要運算的數據調到內存中進行運算,當運算完成后CPU再將結果傳送出來,內存的運行也決定了計算機的穩定運行。

硬盤

  • 硬盤是電腦主要的存儲媒介之一,由一個或者多個鋁制或者玻璃制的碟片組成。碟片外覆蓋有鐵磁性材料。
    硬盤有固態硬盤(SSD 盤,新式硬盤)、機械硬盤(HDD 傳統硬盤)、混合硬盤(HHD 一塊基于傳統機械硬盤誕生出來的新硬盤)。SSD采用閃存顆粒來存儲,HDD采用磁性碟片來存儲,混合硬盤(HHD: Hybrid Hard Disk)是把磁性硬盤和閃存集成到一起的一種硬盤。絕大多數硬盤都是固定硬盤,被永久性地密封固定在硬盤驅動器中。

指令

  • 指令是指示計算機執行某種操作的命令,它由一串二進制數碼組成。CPU中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合,稱為指令集。CPU的指令集從主流的體系結構上分為精簡指令集和復雜指令集。嵌入式系統中的主流ARM處理器使用的是精簡指令集,而桌面領域的處理器大部分使用的是復雜指令集,主流的是Intel的X86處理器。 所以,當計算機想要打開某個存儲在硬盤上的程序時,指令會控制CPU來執行讀取的相關工作,然后磁盤中的程序會加載到內存中,接著在內存中運行程序并打開。
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