淺談CPU，內(nèi)核，寄存器，緩存，RAM，ROM的作用和他們之間的聯(lián)系

2020-02-15 21:24 作者：艾銻無(wú)限 瀏覽量：

 
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計(jì)算機(jī)硬件組成大致如下： CPU：
中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。
中央處理器主要包括運(yùn)算器（算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)（Data）、控制及狀態(tài)的總線（Bus）。它與內(nèi)部存儲(chǔ)器（Memory）和輸入/輸出（I/O）設(shè)備合稱(chēng)為電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。

寄存器
寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部份。它跟CPU有關(guān)。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序計(jì)數(shù)器(PC)。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。
存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器范圍最大，它幾乎涵蓋了所有關(guān)于存儲(chǔ)的范疇。你所說(shuō)的寄存器，內(nèi)存，都是存儲(chǔ)器里面的一種。凡是有存儲(chǔ)能力的硬件，都可以稱(chēng)之為存儲(chǔ)器，這是自然，硬盤(pán)更加明顯了，它歸入外存儲(chǔ)器行列，由此可見(jiàn)——。
內(nèi)存
內(nèi)存既專(zhuān)業(yè)名上的內(nèi)存儲(chǔ)器，它不是個(gè)什么神秘的東西，它也只是存儲(chǔ)器中的滄海一粟，它包涵的范圍也很大，一般分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），以及最強(qiáng)悍的高速緩沖存儲(chǔ)器（CACHE），只讀存儲(chǔ)器應(yīng)用廣泛，它通常是一塊在硬件上集成的可讀芯片，作用是識(shí)別與控制硬件，它的特點(diǎn)是只可讀取，不能寫(xiě)入。隨機(jī)存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是可讀可寫(xiě)，斷電后一切數(shù)據(jù)都消失，我們所說(shuō)的內(nèi)存條就是指它了。、

緩存CACHE
緩存就是數(shù)據(jù)交換的緩沖區(qū)（稱(chēng)作Cache），當(dāng)某一硬件要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)首先從緩存中查找需要的數(shù)據(jù)，如果找到了則直接執(zhí)行，找不到的話(huà)則從內(nèi)存中找。由于緩存的運(yùn)行速度比內(nèi)存快得多，故緩存的作用就是幫助硬件更快地運(yùn)行。

因?yàn)榫彺嫱褂玫氖荝AM（斷電即掉的非永久儲(chǔ)存），所以在用完后還是會(huì)把文件送到硬盤(pán)等存儲(chǔ)器里永久存儲(chǔ)。電腦里最大的緩存就是內(nèi)存條了，最快的是CPU上鑲的L1和L2緩存，顯卡的顯存是給顯卡運(yùn)算芯片用的緩存，硬盤(pán)上也有16M或者32M的緩存。

CACHE是在CPU中速度非常塊，而容量卻很小的一種存儲(chǔ)器，它是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中最強(qiáng)悍的存儲(chǔ)器。由于技術(shù)限制，容量很難提升。
ROM、RAM的區(qū)別：
ROM（只讀存儲(chǔ)器或者固化存儲(chǔ)器）
RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）
ROM和RAM指的都是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，ROM是Read Only Memory的縮寫(xiě)，RAM是Random Access Memory的縮寫(xiě)。ROM在系統(tǒng)停止供電的時(shí)候仍然可以保持?jǐn)?shù)據(jù)，而RAM通常都是在掉電之后就丟失數(shù)據(jù)，典型的RAM就是計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。

RAM有兩大類(lèi)，一種稱(chēng)為靜態(tài)RAM（Static RAM/SRAM），當(dāng)數(shù)據(jù)被存入其中后不會(huì)消失。SRAM速度非常快，是目前讀寫(xiě)最快的存儲(chǔ)設(shè)備了。當(dāng)這個(gè)SRAM 單元被賦予0 或者1 的狀態(tài)之后，它會(huì)保持這個(gè)狀態(tài)直到下次被賦予新的狀態(tài)或者斷電之后才會(huì)更改或者消失。但是存儲(chǔ)1bit 的信息需要4-6 只晶體管。因此它也非常昂貴，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一級(jí)緩沖，二級(jí)緩沖。另一種稱(chēng)為動(dòng)態(tài)RAM（Dynamic RAM/DRAM），DRAM 必須在一定的時(shí)間內(nèi)不停的刷新才能保持其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。DRAM 只要1 只晶體管就可以實(shí)現(xiàn)。DRAM保留數(shù)據(jù)的時(shí)間很短，速度也比SRAM慢，不過(guò)它還是比任何的ROM都要快，但從價(jià)格上來(lái)說(shuō)DRAM相比SRAM要便宜很 多，計(jì)算機(jī)內(nèi)存就是DRAM的。

DRAM分為很多種，常見(jiàn)的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，這里介紹其中的一種DDR RAM。DDR RAM（Date-Rate RAM）也稱(chēng)作DDR SDRAM，這種改進(jìn)型的RAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個(gè)時(shí)鐘讀寫(xiě)兩次數(shù)據(jù)，這樣就使得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用 得最多的內(nèi)存，而且它有著成本優(yōu)勢(shì)，事實(shí)上擊敗了Intel的另外一種內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)－Rambus DRAM。在很多高端的顯卡上，也配備了高速DDR RAM來(lái)提高帶寬，這可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。
ROM也有很多種，PROM是可編程的ROM，PROM和EPROM（可擦除可編程ROM）兩者區(qū)別是，PROM是一次性的，也就是軟件灌入后，就無(wú)法修 改了，這種是早期的產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)不可能使用了，而EPROM是通過(guò)紫外光的照射擦出原先的程序，是一種通用的存儲(chǔ)器。另外一種EEPROM是通過(guò)電子擦出，價(jià)格很高，寫(xiě)入時(shí)間很長(zhǎng)，寫(xiě)入很慢。
最初,把只能讀的存儲(chǔ)器叫做ROM(Read Only Memory),并且掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。由于不能改寫(xiě)，因而使用起來(lái)很不方便。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在ROM中使用一些新技術(shù)，就可以使它具有可以編程的功能。比較早的是熔絲型的可編程ROM，由于是通過(guò)熔斷熔絲來(lái)編程的，所以這類(lèi)ROM編程后，就不能再寫(xiě)了，是一次性的(OTP)。后來(lái)又出現(xiàn)了EPROM，是通過(guò)紫外線來(lái)擦除的，并且通過(guò)高壓來(lái)編程，這類(lèi)ROM上面一般有一個(gè)透明的石英玻璃窗，看上去挺漂亮的，它就是用來(lái)給紫外線照射的。后來(lái)又出現(xiàn)了EEPROM，不用紫外線照射就可以擦除，因而可以直接在電路中編程。另外還有FLASH ROM，又可分為NOR FLASH和NAND FLASH。FLASH ROM一般有一個(gè)特點(diǎn)，就是寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，可以將1改為0，而不能將0改為1，因而寫(xiě)數(shù)據(jù)前需要擦除，擦除時(shí)將所有數(shù)據(jù)置1。
之所以依然叫做ROM，歸納以下，大概有幾個(gè)原因：

1. 不能像RAM那樣快速的寫(xiě)；
2. 可能需要特殊的擦寫(xiě)電壓；
3. 可能需要特殊的擦寫(xiě)時(shí)序；
4. 可能需要在寫(xiě)之前進(jìn)行擦除操作；
5. 擦寫(xiě)的次數(shù)有限，不像RAM那樣可以隨意寫(xiě)而不損壞；
6. 掉電后數(shù)據(jù)不丟失；
7. 有寫(xiě)可寫(xiě)的存儲(chǔ)器只能寫(xiě)一次（OTP）。

舉個(gè)例子，手機(jī)軟件一般放在EEPROM中，我們打電話(huà)，有些最后撥打的號(hào)碼，暫時(shí)是存在SRAM中的，不是馬上寫(xiě)入通過(guò)記錄（通話(huà)記錄保存在EEPROM中），因?yàn)楫?dāng)時(shí)有很重要工作（通話(huà)）要做，如果寫(xiě)入，漫長(zhǎng)的等待是讓用戶(hù)忍無(wú)可忍的。

FLASH存儲(chǔ)器又稱(chēng)閃存，它結(jié)合了ROM和RAM的長(zhǎng)處，不僅具備電子可擦出可編程（EEPROM）的性能，還不會(huì)斷電丟失數(shù)據(jù)同時(shí)可以快速讀取數(shù)據(jù) （NVRAM的優(yōu)勢(shì)），U盤(pán)和MP3里用的就是這種存儲(chǔ)器。在過(guò)去的20年里，嵌入式系統(tǒng)一直使用ROM（EPROM）作為它們的存儲(chǔ)設(shè)備，然而近年來(lái) Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系統(tǒng)中的地位，用作存儲(chǔ)Bootloader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼或者直接當(dāng)硬盤(pán)使用（U盤(pán)）。

目前Flash主要有兩種NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash的讀取和我們常見(jiàn)的SDRAM的讀取是一樣，用戶(hù)可以直接運(yùn)行裝載在NOR FLASH里面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節(jié)約了成本。NAND Flash沒(méi)有采取內(nèi)存的隨機(jī)讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一快的形式來(lái)進(jìn)行的，通常是一次讀取512個(gè)字節(jié)，采用這種技術(shù)的Flash比較廉價(jià)。用戶(hù) 不能直接運(yùn)行NAND Flash上的代碼，因此好多使用NAND Flash的開(kāi)發(fā)板除了使用NAND Flah以外，還作上了一塊小的NOR Flash來(lái)運(yùn)行啟動(dòng)代碼。
一般小容量的用NOR Flash，因?yàn)槠渥x取速度快，多用來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常見(jiàn)的NAND FLASH應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)采用的DOC（Disk On Chip）和我們通常用的“閃盤(pán)”，可以在線擦除。