## 內(nèi)存和 CPU ：計算機的核心

- **鎖存器**

鎖存器是一種簡單的電路，能存儲 1 位的數(shù)據(jù)。它由晶體管組成的邏輯門組合構(gòu)成。其工作流程如下：

當(dāng)允許寫入線路（write line）為 1 時（即允許寫入線路開啟），輸入線路（input line）的值被存儲到鎖存器中。

當(dāng)允許寫入線路為 0 時，鎖存器的值保持不變。

鎖存器是數(shù)字電路中的基礎(chǔ)單元，它構(gòu)成了更復(fù)雜存儲電路的構(gòu)建的基石。

- **寄存器**

與鎖存器類似，寄存器是能夠存儲多位數(shù)據(jù)的電路，它由一組鎖存器組成。

例如，一個 32 位寬的寄存器就由 32 個鎖存器構(gòu)成，能夠存儲一個 32 位的數(shù)字。

現(xiàn)代計算機 CPU 中的寄存器，位寬一般是 32 位或 64 位。

寄存器位于 CPU 內(nèi)部，雖然其容量比較小，但能提供非?？焖俚拇鎯?，所以通常用來存儲指令、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。

- **內(nèi)存**

內(nèi)存又稱為 RAM（Random Access Memory，隨機存取存儲器）。

每個內(nèi)存單元能存儲 1 個字節(jié)，而字節(jié)則是 8 個鎖存器的組合，每個鎖存器存儲 1 位。

內(nèi)存單元被組織成行和列的形式，以便利用多路復(fù)用技術(shù)和門矩陣來簡化地址查找過程。

這樣，每個內(nèi)存單元的地址其實就是其行和列的編號。

- **高速緩存**

高速緩存是 CPU 內(nèi)部的一塊小型快速內(nèi)存，位于 CPU 和主內(nèi)存之間，

高速緩存用于減少 CPU 讀取主內(nèi)存的平均時間。

它的容量遠(yuǎn)小于內(nèi)存，但速度可以接近處理器運行的頻率。

和 CPU 交互的指令和數(shù)據(jù)會優(yōu)先存儲到高速緩存中。

高速緩存對于程序性能有著巨大的影響。

- **指令**

內(nèi)存中的程序由一系列操作組成，這些操作通常被稱為指令，它是由二進制位組成的，用于告訴計算機執(zhí)行特定的任務(wù)。

每一條指令都對應(yīng)著計算機的一項具體操作，如執(zhí)行算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳輸、條件判斷等。

指令的組成通常包括以下幾個部分： 操作碼（Opcode）、操作數(shù)（Operand）和地址碼（Addressing mode）。

操作碼用于識別指令要執(zhí)行的具體操作，例如加法、減法、乘法等。操作碼一般占據(jù)指令的前幾個二進制位。

如果是數(shù)學(xué)運算操作碼，CPU 會讓 ALU 執(zhí)行運算，然后把結(jié)果存儲到內(nèi)存（寄存器）中。

如果是內(nèi)存操作操作碼，CPU 會把內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀取到寄存器中，或者把寄存器的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。

操作數(shù)是指令的參數(shù)或數(shù)據(jù)，用于指定指令要操作的數(shù)據(jù)或者操作的地址。操作數(shù)可以是立即數(shù)（Immediate）、寄存器中的數(shù)據(jù)（Register）、內(nèi)存中的數(shù)據(jù)（Memory）等。

尋址模式指明了操作數(shù)的尋址方式，即指令如何找到操作數(shù)所在的地址。尋址方式可以是直接尋址、間接尋址、寄存器尋址等。

編程語言的代碼會被編譯器或解釋器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令序列。

不同的編程語言可以有不同的語法和語義來表示相同的指令，但它們都最終會被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機器碼指令。

- **CPU**

把 ALU、寄存器和控制單元組合在一起，就構(gòu)成了計算機的心臟 CPU（Central Processing Unit，中央處理器）。

CPU 負(fù)責(zé)執(zhí)行內(nèi)存中的程序，其工作流程簡單來說就是不斷地從內(nèi)存中取出指令并執(zhí)行。

計算機啟動時 CPU 將"指令地址寄存器" 連到內(nèi)存的地址總線上，然后從內(nèi)存中讀取指令。

讀取到的指令被存儲到 "指令寄存器" 中，然后通過邏輯門電路（控制單元）解碼指令寄存器中的指令，

接著由 "控制單元" 發(fā)出控制信號，控制 CPU 的其他部件執(zhí)行這條指令，

最后把 "指令地址寄存器" 的值加 1，指向下一條指令的地址,完成一次循環(huán)。

- **CPU 時鐘**

最后，貫穿在 CPU 所有工作之中的，是 CPU 的時鐘。

它產(chǎn)生的時鐘信號以固定的頻率發(fā)出，控制著 CPU 內(nèi)部各個部件的操作以及指令的執(zhí)行。

CPU 的時鐘頻率是指 CPU 執(zhí)行指令的速度，通常以赫茲（Hz）為單位，表示單位時間內(nèi)信號的周期數(shù)。

通常這個頻率越高，CPU 執(zhí)行任務(wù)的速度就越快，因為它可以在單位時間內(nèi)處理更多的指令。

但是，每個時鐘周期內(nèi) CPU 可以完成的操作數(shù)(Instructions Per Cycle, IPC)也是一個很重要的性能指標(biāo)。

也就是說，一個具有較低頻率但高 IPC 的 CPU，可能會比頻率高但 IPC 低的 CPU 性能更好。

這種情況下，即使時鐘脈沖較少，但由于每次脈沖可以執(zhí)行更多的指令，因此總體效率可能更高。

現(xiàn)代計算機的 CPU 時鐘頻率通常以千兆赫（GHz）為單位，這意味著每秒可以進行數(shù)十億次操作。