计算机cpu原理（计算机原理）

• 计算机结构组成

内外存储器: 实现记忆功能的部件⽤来存放计算程序及参与运算的各种数据

CPU运算器: 负责数据的算术运算和逻辑运算即数据的加⼯处理

CPU控制器:负责对程序规定的控制信息进⾏分析,控制并协调输⼊,输出操作或内存访问

输⼊设备: 实现计算程序和原始数据的输⼊

输出设备: 实现计算结果输出1、2、2 计算机系统组成1、2、3 程序和指令

指令是对计算机进⾏程序控制的最⼩单位。

计算机系统组成

1、2、3 程序和指令

指令是对计算机进⾏程序控制的最⼩单位。

所有的指令的集合称为计算机的指令系统。

程序是为完成⼀项特定任务⽽⽤某种语⾔编写的⼀组指令序列。

• CPU结构

中央处理器（CPU，central processing unit）作为计算机系统的运算和控制核⼼，是信息处理、程序运⾏的最终执⾏单元。

cpu

该图表现了在指令执⾏周期中相互交互部件之间的关系。在从内存读取程序指令之前，将其地址放到地址总线上。然后，内存控制器将所需代码送到数据总线上，存⼊代码⾼速缓存 (code cache)。指令指针的值决定下⼀条将要执⾏的指令。指令由指令译码器分析，并产⽣相应的数值信号送往控制单元，其协调 ALU 和浮点单元。虽然图中没有画出控制总线，但是其上传输的信号⽤系统时钟协调不同 CPU 部件之间的数据传输。

• CPU构成

CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线构成。

运算器：由算术逻辑单元ALU、通⽤寄存器、数据暂存器等组成。程序状态字寄存器接受从控制器送来的命令并执⾏相应的动作，主要负责对数据的加工和处理。

控制器：由程序计数器PC、指令寄存器IR、地址寄存器AR、数据寄存器DR、指令译码器等。负责对程序规定的控制信息进⾏分析,控制并协调输⼊,输出操作或内存访问

寄存器：寄存器的功能是存储⼆进制代码，它是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。

总线：总线是⼀种内部结构，它是cpu、内存、输⼊、输出设备传递信息的公⽤通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接⼝电路再与总线相连接。

• 寄存器

CPU 本身只负责运算，不负责储存数据。数据⼀般都储存在内存之中，CPU 要⽤的时候就去内存读写数据。但是，CPU 的运算速度远⾼于内存的读写速度，为了避免被拖慢，CPU 都⾃带⼀级缓存和⼆级缓存。基本上，CPU 缓存可以看作是读写速度较快的内存。但是，CPU 缓存还是不够快，另外数据在缓存⾥⾯的地址是不固定的，CPU 每次读写都要寻址也会拖慢速度。因此，除了缓存之外，CPU 还⾃带了寄存器（register），⽤来储存最常⽤的数据。也就是说，那些最频繁读写的数据（⽐如循环变量），都会放在寄存器⾥⾯，CPU 优先读写寄存器，再由寄存器跟内存交换数据。

寄存器名字

寄存器、缓存、内存三者关系

按与CPU远近来分，离得最近的是寄存器，然后缓存(CPU缓存)，最后内存。

CPU计算时，先预先把要⽤的数据从硬盘读到内存，然后再把即将要⽤的数据读到寄存器。于是

CPU〈---〉寄存器〈---〉内存，这就是它们之间的信息交换。

那为什么有缓存呢？因为如果经常操作内存中的同⼀址地的数据，就会影响速度。于是就在寄存器与内存之间设置⼀个缓存。因为从缓存提取的速度远⾼于内存。当然缓存的价格肯定远远⾼于内存，不然的话，机器⾥就没有内存的存在。

由此可以看出，从远近来看：CPU〈---〉寄存器〈---〉缓存 〈---〉内存。

• 进制

进制也就是进位制，是⼈们规定的⼀种进位⽅法。 对于任何⼀种进制—X进制，就表示某⼀位置上的数运算时是逢X进⼀位。 ⼗进制是逢⼗进⼀，⼗六进制是逢⼗六进⼀，⼆进制就是逢⼆进⼀，以此类推，x进制就是逢x进位。

• ⼆进制

⼆进制是计算技术中⼴泛采⽤的⼀种数制。⼆进制数据是⽤0和1两个数码来表示的数。它的基数为2，进位规则是“逢⼆进⼀”，借位规则是“借⼀当⼆”。

当前的计算机系统使⽤的基本上是⼆进制系统，数据在计算机中主要是以补码的形式存储的。

⼗进制转化⼆进制的⽅法：⽤⼗进制数除以2，分别取余数和商数，商数为0的时候，将余数倒着

数就是转化后的结果。⼗进制的⼩数转换成⼆进制：⼩数部分和2相乘，取整数，不⾜1取0，每次相乘都是⼩数部分，顺序看取整后的数就是转化后的结果。

• ⼋进制

⼋进制，Octal，缩写OCT或O，⼀种以8为基数的计数法，采⽤0，1，2，3，4，5，6，7⼋个数字，逢⼋进1。⼀些编程语⾔中常常以数字0开始表明该数字是⼋进制。⼋进制的数和⼆进制数可以按位对应（⼋进制⼀位对应⼆进制三位），因此常应⽤在计算机语⾔中。⼗进制转化⼋进制的⽅法：

⽤⼗进制数除以8，分别取余数和商数，商数为0的时候，将余数倒着数就是转化后的结果。

• ⼗六进制

⼗六进制（英⽂名称：Hexadecimal），同我们⽇常⽣活中的表示法不⼀样，它由0-9，A-F组成，字⺟不区分⼤⼩写。与10进制的对应关系是：0-9对应0-9，A-F对应10-15。

⼗六进制的数和⼆进制数可以按位对（⼗六进制⼀位对应⼆进制四位），因此常应⽤在计算机语⾔中。

⼗进制转化⼗六进制的⽅法：

⽤⼗进制数除以16，分别取余数和商数，商数为0的时候，将余数倒着数就是转化后的结果。

十进制转十六进制

• 进制在代码中表现形式

func main() { a := 10 //⼗进制 b := 010 //⼋进制 c := 0x10 //⼗六进制 //%d 占位符 表示输出⼀个⼗进制整型数据 fmt.Printf("%d\n",a) //%o 占位符 表示输出⼀个⼗进制整型数 fmt.Printf("%o\n",b) //%x %X 占位符 表示输出⼀个⼗进制整型数据 fmt.Printf("%x\n",c) }

• 原码

⼀个数的原码(原始的⼆进制码)有如下特点：

• 最⾼位做为符号位，0表示正,为1表示负
• 其它数值部分就是数值本身绝对值的⼆进制数
• 负数的原码是在其绝对值的基础上，最⾼位变为1

原码表示法简单易懂，与带符号数本身转换⽅便，只要符号还原即可，但当两个正数相减或不同符号数相加时，必须⽐较两个数哪个绝对值⼤，才能决定谁减谁，才能确定结果是正还是负，所以原码不便于加减运算。

• 反码

对于正数，反码与原码相同

对于负数，符号位不变，其它部分取反(1变0,0变1)

反码运算也不⽅便，通常⽤来作为求补码的中间过渡。

• 补码

在计算机系统中，数值⼀律⽤补码来存储。

补码特点：

• 对于正数，原码、反码、补码相同
• 对于负数，其补码为它的反码加1
• 补码符号位不动，其他位求反，最后整个数加1，得到原码

• 补码的意义

⽤8位⼆进制数分别表示 0和-0⼗进制数

不管以原码⽅式存储，还是以反码⽅式存储，0也有两种表示形式。为什么同样⼀个0有两种不同的表示⽅法呢？

但是如果以补码⽅式存储，补码统⼀了零的编码：

计算9-6的结果

以原码⽅式相加：

最⾼位的1溢出,剩余8位⼆进制表示的是3，正确。

在计算机系统中，数值⼀律⽤补码来存储，主要原因是：

• 统⼀了零的编码
• 将符号位和其它位统⼀处理
• 将减法运算转变为加法运算
• 两个⽤补码表示的数相加时，如果最⾼位(符号位)有进位，则进位被舍弃

• 指针和内存

内存

内存含义：

存储器：计算机的组成中，⽤来存储程序和数据，辅助CPU进⾏运算处理的重要部分。

内存：内部存贮器，暂存程序/数据——掉电丢失 SRAM、DRAM、DDR、DDR2、DDR3。

外存：外部存储器，⻓时间保存程序/数据—掉电不丢ROM、ERRROM、FLASH（NAND、

NOR）、硬盘、光盘。

内存是沟通CPU与硬盘的桥梁：暂存放CPU中的运算数据

暂存与硬盘等外部存储器交换的数据

• 物理存储器和存储地址空间

有关内存的两个概念：物理存储器和存储地址空间。

物理存储器：实际存在的具体存储器芯⽚。

主板上装插的内存条

显示卡上的显示RAM芯⽚

各种适配卡上的RAM芯⽚和ROM芯⽚

存储地址空间：对存储器编码的范围。我们在软件上常说的内存是指这⼀层含义。

编码：对每个物理存储单元（⼀个字节）分配⼀个号码

寻址：可以根据分配的号码找到相应的存储单元，完成数据的读写

• 内存地址

将内存抽象成⼀个很⼤的⼀维字符数组。

编码就是对内存的每⼀个字节分配⼀个32位或64位的编号（与32位或者64位处理器相关）。

这个内存编号我们称之为内存地址。

内存中的每⼀个数据都会分配相应的地址：

char:占⼀个字节分配⼀个地址

int: 占四个字节分配四个地址

flfloat、struct、函数、数组等

• 指针

只要将数据存储在内存中都会为其分配内存地址。内存地址使⽤⼗六进数据表示。

内存为每⼀个字节分配⼀个32位或64位的编号（与32位或者64位处理器相关）。

• 内存区的每⼀个字节都有⼀个编号，这就是“地址”。
• 如果在程序中定义了⼀个变量，在对程序进⾏编译或运⾏时，系统就会给这个变量分配内存单元，并确定它的内存地址(编号)
• 指针的实质就是内存“地址”。指针就是地址，地址就是指针。
• 指针是内存单元的编号，指针变量是存放地址的变量。
• 通常叙述时会把指针变量简称为指针，实际他们含义并不⼀样。

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