计算机基础知识-硬件组成

内存的内部是由各种 IC 电路组成的，它的种类很庞大，但是其主要分为三种存储器● 随机存储器（RAM）：内存中最重要的一种，表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器关闭时，内存中的信息会 丢失。● 只读存储器（ROM）：ROM 一般只能用于数据的读取，不能写入数据，但是当机器停电时，这些数据不会丢失。● 高速缓存（Cache）：Cache 也是我们经常见到的，它分为一级缓存（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）、三级缓存（L3 Cache）这些数据，它位于内存和 CPU 之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。当 CPU 向内存写入数据时，这些数据也会被写入高速缓存中。当 CPU 需要读取数据时，会直接从高速缓存中直接读取，当然，如需要的数据在Cache中没有，CPU会再去读取内存中的数据。

图中 VCC 和 GND 表示电源，A0 – A9 是地址信号的引脚，D0 – D7 表示的是控制信号、RD 和 WR 都是好控制信号，我用不同的颜色进行了区分，将电源连接到 VCC 和 GND 后，就可以对其他引脚传递 0 和 1 的信号，大多数情况下，+5V 表示1，0V 表示 0。我们都知道内存是用来存储数据，那么这个内存 IC 中能存储多少数据呢？D0 – D7 表示的是数据信号，也就是说，一次可以输入输出 8 bit = 1 byte 的数据。A0 – A9 是地址信号共十个，表示可以指定 00000 00000 – 11111 11111 共 2 的 10次方 = 1024个地址。每个地址都会存放 1 byte 的数据，因此我们可以得出内存 IC 的容量就是 1 KB。

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南桥芯片（标准桥接芯片）

1.从内存取指令

高速缓存总线

虚拟内存是指把磁盘的一部分作为假想内存来使用。这与磁盘缓存是假想的磁盘（实际上是内存）相对，虚拟内存是假想的内存（实际上是磁盘）。虚拟内存的方法有分页式 和 分段式 两种。Windows 采用的是分页式。该方式是指在不考虑程序构造的情况下，把运行的程序按照一定大小的页进行分割，并以页为单位进行置换。在分页式中，我们把磁盘的内容读到内存中称为 Page In，把内存的内容写入磁盘称为 Page Out。Windows 计算机的页大小为 4KB ，也就是说，需要把应用程序按照 4KB 的页来进行切分，以页（page）为单位放到磁盘中，然后进行置换。

声卡

通道方式

数据起始地址寄存器

程序计数器(Program Counter)是用来存储下一条指令所在单元的地址。程序执行时，PC的初值为程序第一条指令的地址，在顺序执行程序时，控制器首先按程序计数器所指出的指令地址从内存中取出一条指令，然后分析和执行该指令，同时将PC的值加1指向下一条要执行的指令。

USB

高速插槽

运算器负责运算从内存中读入寄存器的数据运算单元只管算，例如做加法、做位移等等。但是，它不知道应该算哪些数据，运算结果应该放在哪里。

内存的读写过程

冯·诺依曼体系：计算机制造的三个基本原则（采用二进制、程序存储、顺序执行），以及计算机的五个组成部分（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）。（1）计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示。（2）指令和数据不加区别混合存储在同一个 存储器 中（硬盘）（3）顺序执行程序的每一条指令。(重点是“顺序”)哈佛结构：是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，减轻程序运行时的访存瓶颈。

数据

内存地址空间

磁盘缓存（内存的一部分）

Page Out

CPU 和 I/O 设备的通信，一样是通过 CPU 支持的机器指令来执行的。为了让已经足够复杂的 CPU 尽可能简单，计算机会把 I/O 设备的各个寄存器，以及 I/O 设备内部的内存地址，都映射到主内存地址空间里来。主内存的地址空间里，会给不同的 I/O 设备预留一段一段的内存地址。CPU 想要和这些 I/O 设备通信的时候呢，就往这些地址发送数据。而我们的 I/O 设备呢，就会监控地址线，并且在 CPU 往自己地址发送数据的时候，把对应的数据线里面传输过来的数据，接入到对应的设备里面的寄存器和内存里面来。CPU 无论是向 I/O 设备发送命令、查询状态还是传输数据，都可以通过这样的方式。这种方式呢，叫作内存映射IO（Memory-Mapped I/O，简称 MMIO）。CPU 和 I/O 设备之间的通信总结1. 首先，在 I/O 设备这一侧，我们把 I/O 设备拆分成，能和 CPU 通信的接口电路，以及实际的 I/O 设备本身。接口电路里面有对应的状态寄存器、命令寄存器、数据寄存器、数据缓冲区和设备内存等等。接口电路通过总线和 CPU 通信，接收来自 CPU 的指令和数据。而接口电路中的控制电路，再解码接收到的指令，实际去操作对应的硬件设备。2. 而在 CPU 这一侧，对 CPU 来说，它看到的并不是一个个特定的设备，而是一个个内存地址或者端口地址。CPU 只是向这些地址传输数据或者读取数据。所需要的指令和操作内存地址的指令其实没有什么本质差别。通过软件层面对于传输的命令数据的定义，而不是提供特殊的新的指令，来实际操作对应的 I/O 硬件。

计算机指令不同的 CPU 有不同的指令集，也就对应着不同的汇编语言和不同的机器码。MIPS 的指令是一个 32 位的整数，高 6 位叫操作码（Opcode），也就是代表这条指令具体是一条什么样的指令，剩下的 26 位有三种格式，分别是 R、I 和 J。1. R 指令是一般用来做算术和逻辑操作，里面有读取和写入数据的寄存器的地址。如果是逻辑位移操作，后面还有位移操作的位移量，而最后的功能码，则是在前面的操作码不够的时候，扩展操作码表示对应的具体指令的。2. I 指令，则通常是用在数据传输、条件分支，以及在运算的时候使用的并非变量还是常数的时候。这个时候，没有了位移量和操作码，也没有了第三个寄存器，而是把这三部分直接合并成了一个地址值或者一个常数。3. J 指令就是一个跳转指令，高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。

物理内存/主存

1. 寄存器就是 CPU 内部，由多个触发器（Flip-Flop）或者锁存器（Latches）组成的简单电路。2. 触发器和锁存器，其实就是两种不同原理的数字电路组成的逻辑门。3. CPU 里面更多用来存储数据和内存地址的寄存器

访问数据

浮点数寄存器

程序计数器

条件分支和循环机制

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通用寄存器

3.直接从磁盘缓存取，速度快

标准总线

            

SATA 接口

磁盘

向量寄存器

SATA Controller内存地址空间

数据应用

标准插槽

显卡

把程序分为多页

地址寄存器等等

高速总线

磁盘缓存

磁盘缓存指的是把从磁盘中读出的数据存储到内存的方式，这样一来，当接下来需要读取相同的内容时，就不会再通过实际的磁盘，而是通过磁盘缓存来读取。某一种技术或者框架的出现势必要解决某种问题的，那么磁盘缓存就大大改善了磁盘访问的速度。

指令指针寄存器

CPU

内存总线

CPU 的全称是 Central Processing Unit，CPU 的核心是从程序或应用程序获取指令并执行计算。此过程可以分为三个关键阶段：提取，解码和执行。CPU从系统的主存中提取指令，然后解码该指令的实际内容，然后再由 CPU 的相关部分执行该指令。 内存（Memory），它是程序与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，其作用是存放 CPU 中的运算数据，以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。主板：芯片组+总线北桥芯片：电脑中的CPU、内存和显卡都是由北桥芯片控制。南桥芯片：南桥芯片是主板的第二大芯片（第一大芯片是北桥芯片）。南桥芯片控制了输入/输出设备和外部设备。系统总线和IO总线：北桥的系统总线称为系统总线，因为是CPU、内存、显卡传输的主要通道，所以速度较快。南桥就是所谓的输入输出(I/O)总线，主要在联系硬盘、USB、网络卡等周边设备，最常见的是PCI总线。I/O设备：输出：显示器，输入：键盘，鼠标显示器：特殊的设备，显卡之所以特殊，是因为显卡里有除了 CPU 之外的另一个“处理器”，也就是GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器），GPU 一样可以做各种“计算”。

函数调用机制

CPU 里有两个寄存器，专门保存当前处理进程的代码段的起始地址，以及数据段的起始地址。这里面写的都是进程 A，那当前执行的就是进程 A 的指令，等切换成进程 B，就会执行 B 的指令了，这个过程叫作进程切换（Process Switch）。

虚拟内存

Page In

USB 接口

IC结构

指令寄存器

打印机

寄存器/数据单元

2.数据保存

运算器/运算单元

顺序执行

网卡

CPU与I/O设备通信

控制器负责把内存上的指令、数据读入寄存器，并根据指令的结果控制计算机

控制器/控制单元

本地总线

CPU 指令执行过程几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。● 取指令阶段是将内存中的指令读取到 CPU 中寄存器的过程，程序寄存器用于存储下一条指令所在的地址● 指令译码阶段，在取指令完成后，立马进入指令译码阶段，在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。● 执行指令阶段，译码完成后，就需要执行这一条指令了，此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。● 访问取数阶段，根据指令的需要，有可能需要从内存中提取数据，此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。● 结果写回阶段，作为最后一个阶段，结果写回（Write Back，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式：结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；

信号和地址

北桥芯片（高速桥接芯片）

1.直接从磁盘取，速度慢

CPU 的控制单元里面，有一个指令指针寄存器，它里面存放的是下一条指令在内存中的地址。控制单元会不停地将代码段的指令拿进来，先放入指令寄存器。

USB Controller内存地址空间

指令起始地址寄存器

整数寄存器

高速缓存