操作系统——cpu、内存、缓存介绍

一、内存是什么

内存就是系统资源的代名词，它是其他硬件设备与 CPU 沟通的桥梁， 计算机中的所有程序都在内存中运行。其作用是暂时存放CPU的运算数据，以及与硬盘交换的数据。也是相当于CPU与硬盘沟通的桥梁。只要计算机在运行，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，运算完成后CPU再将结果传出来。

它的容量与性能如果存在瓶颈，即使 CPU 再快，也是枉然。内存物理结构由内存芯片、电路板、控制芯片、相关支持模块等组成，内存芯片结构比较简单，核心是存储单元，支持模块是地址译码器和读写控制器。

二、cpu是什么

按照标准的说法，电脑CPU即是电脑的中央处理器，是英文Central Processing Unit三个单词首个字母的缩写。

CPU其实就是一块超大规模的集成电路板，是计算机的核心部件，承载计算机的运算和控制功能，是计算机指令的最终解释模块和执行模块。说到CPU，就不得不说内存了，二者是关系非常密切的硬件设备。开发工程师也必须熟悉CPU和内存的特点，让它们以自己期望的方式执行相关指令。

控制器

由控制单元、指令译码器、指令寄存器组成。其中控制单元是 CPU 的大脑，由时序控制和指令控制等组成;指令译码器是在控制单元的协调下完成指令读取、分析并交由运算器执行等操作。指令寄存器是存储指令集，当前流行的指令集包括 X86、 SSE、 MMX 等。控制器有点像个编程语言的编译器，输入 0与1的源码流，通过译码和控制单元对存储设备的数据进行读取，运算完成后，保存回寄存器，甚至是内存。

运算器

运算器的核心是算术逻辑运算单元，即 ALU，能够执行算术运算或逻辑运算等各种命令，运算单元会从寄存器中提取或存储数据。相对控制单元来说，运算器是受控的执行部件。任何编程语言诸如 a+b 的算术运算，无论字节码指令，还是汇编指令，最后一定会以 0 与 1 的组合流方式在部件内完成最终计算，并保存到寄存器，最后送出 CPU。平时理解的栈与堆，在 CPU 眼里都是内存。

寄存器

寄存器是 CPU 的高速缓存 LI、 L2，缓存容量是在组装计算机时必问的两个CPU 性能问题之一。缓存结构和大小对 CPU 的运行速度影响非常大，毕竟 CPU 的运行速度远大于内存的读写速度，更远大于硬盘。基于执行指令和热点数据的时间局部性和空间局部性， CPU 缓存部分指令和数据，以提升性能。但由于 CPU 内部空间狭小且结构复杂，高速缓存远小于内存空间。

CPU性能的好坏直接决定整个电脑的性能。如果我们把电脑比喻成一辆汽车，那么这个CPU就相当于汽车里面的发动机。我们都知道，发动机的好坏，是决定这辆汽车能不能跑得快最关键指标之一。

CPU在电脑里面负责大部分数据的运算处理，因此也叫中央处理器。可是为什么是大部分而不是所有数据的运算处理？因为CPU在电脑硬件中的地位绝对是很崇高的，以CPU的牛逼能力，只适合用来处理运算重要且关键的数据，一些琐碎的工作也交给CPU来运算处理，就会让CPU分心，从而降低CPU的性能。
怎么理解呢，再打个简单比方。一家饭店的菜做得非常好吃，生意爆满。那么，生意爆满在很大程度上是因为里面的胖厨子烧菜非常棒，而这个胖厨子除了烧菜还能不能去扫地洗碗呢，当然也是可以的。但饭店老板一定不会让这个胖厨子去扫地洗碗，原因你懂得，如果他去扫地洗碗，那一定会占用烧菜的时间，为了保证饭店生意爆满，如果你是老板，一定会告诉厨子，你只管烧菜，扫地洗碗我另外安排人做。

但是，在电脑里面，有哪些数据的运算处理是CPU不去处理的呢？这包括有：音频、网络的编码译码和一些图像处理。这些工作都由声卡、网卡和显卡来完成。而CPU通常并不直接处理，只是起一个指挥作用，安排声卡、网卡和显卡在适当时候处理。具体是怎样的，我们在以后的文章中再进行介绍。

总结一下本文的几个概念和观点：
1、CPU就是中央处理器，是电脑中最核心的硬件之一；
2、CPU性能的好坏直接决定整个电脑的性能；
3、CPU的主要作用是运算处理电脑运行过程中最重要且关键的数据，但不包揽所有的运算处理；

三、缓存是什么
缓存是CPU的一部分，存在于CPU里。

四、内存和缓存的关系

由于CPU的存取速度很快，而内存的速度很慢，为了不让CPU每次都在运行相对缓慢的内存中操作，缓存就作为一个中间者出现了。有些常用的数据或是地址，就直接存在缓存中，这样，下一次调用的时候就不需要再去内存中去找了。因此，CPU每次回先到自己的缓存中寻找想要的东西（一般80%的东西都可以找到），找不到的时候再去内存中获取。

最初的缓存生产成本很高，价格昂贵，所以为了存储更多的数据，又不希望成本过高，就出现了二级缓存的概念，他们采用的并不是一级缓存的SRAM（静态RAM），而是采用了性能比SRAM稍差一些，但是比内存更快的DRAM（动态RAM）

五、内存存储的数据是文档结构的吗

计算机要处理的信息是多种多样的，如数字、文字、符号、图形、音频、视频等，这些信息在人们的眼里是不同的。但对于计算机来说，它们在内存中都是一样的，都是以二进制的形式来表示。

内存条是一个非常精密的部件，包含了上亿个电子元器件，它们很小，达到了纳米级别。这些元器件，实际上就是电路；电路的电压会变化，要么是 0V，要么是 5V，只有这两种电压。5V 是通电，用1来表示，0V 是断电，用0来表示。所以，一个元器件有2种状态，0 或者 1。

我们通过电路来控制这些元器件的通断电，会得到很多0、1的组合。例如，8个元器件有 2的8次方=256 种不同的组合，16个元器件有 2的16次方=65536 种不同的组合。虽然一个元器件只能表示2个数值，但是多个结合起来就可以表示很多数值了。

我们可以给每一种组合赋予特定的含义，例如，可以分别用 1101000、00011100、11111111、00000000、01010101、10101010 来表示 C、语、言、中、文、网这几个字，那么结合起来 1101000 00011100 11111111 00000000 01010101 10101010 就表示”C语言中文网“。

一般情况下我们不一个一个的使用元器件，而是将8个元器件看做一个单位，即使表示很小的数，例如 1，也需要8个，也就是 00000001。

1个元器件称为1比特（Bit）或1位，8个元器件称为1字节（Byte），那么16个元器件就是2Byte，32个就是4Byte，以此类推：

8×1024个元器件就是1024Byte，简写为1KB；

8×1024×1024个元器件就是1024KB，简写为1MB；

8×1024×1024×1024个元器件就是1024MB，简写为1GB。

你看，在内存中没有abc这样的字符，也没有gif、jpg这样的图片，只有0和1两个数字，计算机也只认识0和1。所以，计算机使用二进制，而不是我们熟悉的十进制，写入内存中的数据，都会被转换成0和1的组合。

六、内存地址是什么

内存地址是一个唯一的代表某个存有数据的内存单元的数值编码。

七、内存和cpu的关系

CPU是负责运算和处理的，内存是交换数据的。

当程序或者操作者对CPU发出指令，这些指令和数据暂存在内存里，在CPU空闲时传送给CPU，CPU处理后把结果输出到输出设备上，输出设备就是显示器，打印机等。在没有显示完之前，这些数据也保存在内存里，如果内存不足，那么系统自动从硬盘上划分一部分空间作为虚拟内存来用。但写入和读取的速度跟物理内存差的很远很远，所以，在内存不足的时候，会感到机器反应很慢，硬盘一直在响。

512M的物理内存如果增加到2GB，你会感到电脑变得飞快。但内存512，即使你把CPU从单核换成双核，加速感觉也不明显。

如果你本来就有2G内存，再增加2G，使用起来几乎没有多少性能的改变。

在理论上，物理内存太大反而会减慢速度，因为它增加了寻址的时间。