CPU
CPU核心结构
ALU
Arithmetic Logic Unit（算术逻辑单元）的缩写，也叫运算器，专门负责执行算术运算和逻辑运算。
Registers
寄存器，临时存储单元，用来暂存指令、数据和地址。
寄存器根据用途可以分为：
通用寄存器：如 AX、BX、R0、R1 等，主要放操作数、中间结果
专用寄存器：如 PC、IR、SP、PSW 等。
其中比较重要的有：
程序计数器 PC：存放下一条要执行指令的地址。
指令寄存器 IR：存放当前正在执行的指令。
栈指针 SP、链接寄存器 LR：帮助管理函数调用、返回、参数传递和现场保存。
CU
Control Unit（控制单元）的缩写，也叫控制器，它是逻辑功能上独立，但不是像内存条那样可单独插拔的独立芯片。现代 CPU 中，控制单元往往和流水线控制、微码 ROM、分支预测等电路融合在一起，物理上不一定是一个清晰的“单独盒子”。
CPU执行指令细节
CPU 执行一条指令，通常经过以下几个阶段：
1. 取指
PC（程序计数器）存放“下一条指令的地址”。
CPU 把 PC 的内容送到MAR（地址寄存器），再通过地址总线去内存取指令。
内存把指令送回MDR（数据寄存器），再送入IR（指令寄存器）。
PC 自动增加，指向下一条指令；如果遇到跳转，PC 被修改为目标地址。
2. 译码
控制单元读取 IR 中的指令，分析要做什么，比如加法、加载、存储、跳转。
控制单元产生控制信号，指挥 ALU、寄存器文件和内存接口工作。
3. 执行
如果是算术/逻辑指令，比如
ADD R1, R2, R3：从寄存器文件读出 R2、R3 的值；
送入 ALU 运算；
结果写回 R1；
同时更新标志寄存器，如零标志、进位标志、溢出标志。
如果是访存指令，就进入“访存”阶段。
4. 访存
LOAD：从内存读数据到寄存器。STORE：把寄存器里的数据写入内存。
5. 写回
把运算结果或读出的数据写回寄存器。
如果是存储指令，则写回内存。
所以，寄存器是 CPU 执行指令时的“临时工作台”：
PC 管流程，IR 管当前指令，通用寄存器管操作数和结果，标志寄存器管状态，MAR/MDR 管与内存交换地址和数据。
CPU操作内存细节
CPU 不能直接“伸手”改内存，它通过三组总线与内存交互：
地址总线：CPU 告诉内存要访问哪个地址。
数据总线：在 CPU 和内存之间传数据。
控制总线：CPU 发出读/写信号，告诉内存是读还是写。
读内存过程
例如LOAD R1, [1000]：
CPU 把地址
1000放入 MAR；MAR 把地址送到地址总线；
控制单元发出“读”信号；
内存找到地址
1000的内容，放到数据总线；数据进入 MDR；
再写入寄存器 R1。
写内存过程
例如STORE [1000], R1：
CPU 把地址
1000放入 MAR；把 R1 的值放入 MDR；
控制单元发出“写”信号；
内存把数据总线上来的值写入地址
1000。
因此，CPU 操作内存的基本模式就是：
地址送 MAR → 控制总线发读写信号 → 数据经 MDR 进出内存。
现代 CPU 为了更快，还加入了：
缓存 L1/L2/L3：CPU 先查缓存，未命中才访问内存。
MMU/TLB：把虚拟地址转换成物理地址。
流水线：取指、译码、执行、访存、写回重叠进行。
乱序执行、寄存器重命名：提高并行度。
多核缓存一致性：保证多个核心看到一致的内存数据。
但无论多复杂，基本逻辑不变：
CPU 用寄存器做最快的工作台，用总线访问内存，把数据搬到寄存器里运算，再写回内存。
内存
计算机内存的结构
“内存”通常有两种含义：
广义内存层次：寄存器 → L1/L2/L3 缓存 → 主存 → SSD/硬盘。
狭义内存：主存，也就是内存条，通常是 DRAM。
这里重点说主存。
1. 逻辑结构：线性地址空间
从程序员和 CPU 的角度看，内存像一个巨大的线性数组：
地址 0x0000: 1 字节 地址 0x0001: 1 字节 地址 0x0002: 1 字节 ... 地址 0xFFFF: 1 字节
每个存储单元有一个唯一地址。
现代计算机通常按字节编址：一个地址对应 1 个字节（8 位）。
CPU 访问内存时：
地址总线送出地址；
控制总线发出读/写信号；
数据总线传输数据。
2. 物理结构：DRAM 存储阵列
内存条由多块 DRAM 芯片组成。每块 DRAM 内部有：
存储阵列：行和列交叉排列的存储单元；
行解码器、列解码器：根据地址选中某个单元；
灵敏放大器：读出微弱电荷信号并放大；
行缓冲器：暂存一整行数据；
刷新电路：定期刷新电容电荷。
地址通常分两次送入：
先送行地址，触发 RAS；
再送列地址，触发 CAS。
然后选中某个存储单元进行读写。
3. SRAM 与 DRAM
| 类型 | 存储原理 | 特点 | 用途 |
|---|---|---|---|
| SRAM | 双稳态触发器 | 快、贵、不需刷新 | CPU 缓存 |
| DRAM | 电容电荷 | 慢一些、便宜、需刷新 | 主存 |
主存用 DRAM，因为容量大、成本低；缓存用 SRAM，因为速度极快。
内存如何存储数据
1. 一切以二进制位存储
内存中最基本的单位是bit（位），只能表示 0 或 1。
DRAM：用电容是否带电表示 0/1；
SRAM：用触发器电路的两个稳定状态表示 0/1。
多个 bit 组成一个字节：
1 Byte = 8 bit
例如字符'A'的 ASCII 码是 65，二进制是：
0100 0001
它在内存中占 1 个字节，地址假设为0x1000，那么该地址的内容就是0100 0001。
2. 多字节数据如何存放
一个整数、浮点数通常占多个字节。比如 32 位整数占 4 字节。
这 4 个字节在内存中有顺序问题，这就是大端序和小端序：
大端：高位字节放在低地址；
小端：低位字节放在低地址。
x86 和 ARM 通常用小端序。
例如0x12345678存放在地址0x1000：
小端：
78 56 34 12大端：
12 34 56 78
3. DRAM 需要刷新
DRAM 用电容存电荷，电荷会漏掉。
所以内存控制器必须定期把数据读出再写回，这叫刷新。
这也是 DRAM 叫“动态”的原因。
4. 读写过程
读：
CPU 把地址送上地址总线；
内存选中对应行和列；
灵敏放大器读出电荷；
数据经数据总线送回 CPU。
写：
CPU 送地址；
CPU 送数据；
控制总线发出写信号；
内存把电荷写入对应电容。
三、数据大小如何计算
1. 基本单位
| 单位 | 含义 |
|---|---|
| bit | 位，0 或 1 |
| Byte | 字节，1 Byte = 8 bit |
| Word | 字，通常等于 CPU 字长，如 32 位、64 位 |
| KiB | 1 KiB = 1024 Byte |
| MiB | 1 MiB = 1024 KiB |
| GiB | 1 GiB = 1024 MiB |
| TiB | 1 TiB = 1024 GiB |
注意：
内存和操作系统常用二进制：1 KB 有时指 1024 B，严格叫 KiB。
硬盘厂商标称常用十进制：1 GB = 1000 MB = 10^9 B。
所以 8 GB 内存条在系统中显示约 7.45 GiB，这是换算差异。
2. 地址空间计算
如果地址总线有n 位，能表示的地址数量是：
2^n
如果按字节编址，则最大寻址空间为：
2^n 字节
例子：
32 位地址总线：
2^32 B = 4,294,967,296 B = 4 GiB64 位地址总线：
2^64 B = 16 EiB，实际 CPU 不会全用。
3. 内存容量计算
内存容量 = 存储单元数 × 每个单元位数。
若按字节编址：
容量 = 2^地址线数 × 1 字节
若按字编址，每个地址对应一个字：
容量 = 2^地址线数 × 字长
例如：
20 根地址线，按字节编址：
2^20 B = 1 MiB20 根地址线，按 32 位字编址：
2^20 × 4 B = 4 MiB
