一, 硬件结构

1. CPU执行程序

1.1 冯诺伊曼模型

1. 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，这 5 个部分也被称为冯诺依曼模型。
2. 存储单元和输入输出设备要与中央处理器(CPU)打交道的话，离不开总线。所以，它们之间的关系如下图：
   

1.2 中央处理器

1. 中央处理器也就是我们常说的 CPU，32 位和 64 位 CPU 最主要区别在于一次能计算多少字节数据：

2. 32 位 CPU 一次可以计算 4 个字节；64 位 CPU 一次可以计算 8 个字节；
   这里的 32 位和 64 位，通常称为 CPU 的位宽，代表的是 CPU 一次可以计算（运算）的数据量。

3. 硬件的 64 位和 32 位指的是 CPU 的位宽，软件的 64 位和 32 位指的是指令的位宽

4. 常见的寄存器种类：

   • 通用寄存器，用来存放需要进行运算的数据，比如需要进行加和运算的两个数据。
   • 程序计数器，用来存储 CPU 要执行下一条指令「所在的内存地址」，注意不是存储了下一条要执行的指令，此时指令还在内存中，程序计数器只是存储了下一条指令「的地址」。
   • 指令寄存器，用来存放当前正在执行的指令，也就是指令本身，指令被执行完成之前，指令都存储在这里。

1.3 总线

1. 总线是用于 CPU 和内存以及其他设备之间的通信，总线可分为 3 种：

   • 地址总线，用于指定 CPU 将要操作的内存地址；
   • 数据总线，用于读写内存的数据；
   • 控制总线，用于发送和接收信号，比如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后自然进行响应，这时也需要控制总线；

2. 当 CPU 要读写内存数据的时候，一般需要通过下面这三个总线：

   • 首先要通过「地址总线」来指定内存的地址；
   • 然后通过「控制总线」控制是读或写命令；
   • 最后通过「数据总线」来传输数据；

3. 想要 CPU 操作 4G 大的内存，那么就需要 32 条地址总线，因为 2 ^ 32 = 4G。

1.4 输入、输出设备

1. 输入设备向计算机输入数据，计算机经过计算后，把数据输出给输出设备。期间，如果输入设备是键盘，按下按键时是需要和 CPU 进行交互的，这时就需要用到控制总线了。

1.5 程序执行的基本过程

1. CPU 执行程序的过程如下：
   • 第一步，CPU 读取「程序计数器」的值，这个值是指令的内存地址，然后 CPU 的「控制单元」操作「地址总线」指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过「数据总线」将指令数据传给 CPU，CPU 收到内存传来的数据后，将这个指令数据存入到「指令寄存器」。
   • 第二步，「程序计数器」的值自增，表示指向下一条指令。这个自增的大小，由 CPU 的位宽决定，比如 32 位的 CPU，指令是 4 个字节，需要 4 个内存地址存放，因此「程序计数器」的值会自增 4；
   • 第三步，CPU 分析「指令寄存器」中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给「逻辑运算单元」运算；如果是存储类型的指令，则交由「控制单元」执行；

2. 存储器

2.1 存储器分级

1. 存储器通常可以分为这么几个级别：
   

2.2 寄存器

1. 寄存器的访问速度非常快，一般要求在半个 CPU 时钟周期内完成读写，CPU 时钟周期跟 CPU 主频息息相关，比如 2 GHz 主频的 CPU，那么它的时钟周期就是 1/2G，也就是 0.5ns（纳秒）。

2.3 CPU Cache

1. CPU Cache 用的是一种叫 SRAM（Static Random-Access Memory，静态随机存储器） 的芯片。

2. CPU 的高速缓存，通常可以分为 L1、L2、L3 这样的三层高速缓存，也称为一级缓存、二级缓存、三级缓存。

3. L1 高速缓存: L1 高速缓存的访问速度几乎和寄存器一样快，通常只需要 2~4 个时钟周期，而大小在几十 KB 到几百 KB 不等。
   每个 CPU 核心都有一块属于自己的 L1 高速缓存，指令和数据在 L1 是分开存放的，所以 L1 高速缓存通常分成指令缓存和数据缓存。

在 Linux 系统，我们可以通过这条命令，查看 CPU 里的 L1 Cache 「数据」缓存的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/size
32K

而查看 L1 Cache 「指令」缓存的容量大小，则是：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index1/size
32K

4. L2 高速缓存: L2 高速缓存同样每个 CPU 核心都有，但是 L2 高速缓存位置比 L1 高速缓存距离 CPU 核心 更远，它大小比 L1 高速缓存更大，CPU 型号不同大小也就不同，通常大小在几百 KB 到几 MB 不等，访问速度则更慢，速度在 10~20 个时钟周期。

在 Linux 系统，我们可以通过这条命令，查看 CPU 里的 L2 Cache 的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index2/size
256K

5. L3 高速缓存: L3 高速缓存通常是多个 CPU 核心共用的，位置比 L2 高速缓存距离 CPU 核心 更远，大小也会更大些，通常大小在几 MB 到几十 MB 不等，具体值根据 CPU 型号而定。访问速度相对也比较慢一些，访问速度在 20~60个时钟周期。

在 Linux 系统，我们可以通过这条命令，查看 CPU 里的 L3 Cache 的容量大小：

$ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index3/size 
3072K

2.4 内存

1. 内存用的芯片和 CPU Cache 有所不同，它使用的是一种叫作 DRAM （Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器） 的芯片。

2. 相比 SRAM，DRAM 的密度更高，功耗更低，有更大的容量，而且造价比 SRAM 芯片便宜很多。

3. DRAM 存储一个 bit 数据，只需要一个晶体管和一个电容就能存储，但是因为数据会被存储在电容里，电容会不断漏电，所以需要「定时刷新」电容，才能保证数据不会被丢失，这就是 DRAM 之所以被称为「动态」存储器的原因，只有不断刷新，数据才能被存储起来。

4. DRAM 的数据访问电路和刷新电路都比 SRAM 更复杂，所以访问的速度会更慢，内存速度大概在 200~300 个 时钟周期之间。

2.5 SSD/HDD 硬盘

1. SSD（Solid-state disk） 就是我们常说的固体硬盘，结构和内存类似，但是它相比内存的优点是断电后数据还是存在的，而内存、寄存器、高速缓存断电后数据都会丢失。内存的读写速度比 SSD 大概快 10~1000 倍。

2. 传统的硬盘，也就是机械硬盘（Hard Disk Drive, HDD），它是通过物理读写的方式来访问数据的，因此它访问速度是非常慢的，它的速度比内存慢 10W 倍左右。

2.6 存储器的层次关系

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