依据冯·诺依曼体系结构，主要包含五大基本单元

1. 运算器
2. 控制器
3. 存储器
4. 输入设备
5. 输出设备

其中，运算器和控制器通常被集成在一起，就是中央处理器

CPU

CPU是计算机的核心，负责执行程序中的指令和处理数据。它内部主要由两大单元构成

• 控制器
  • 功能：它是整个计算机的指挥中心。类似于交通警察，它不直接处理数据，而是负责协调和控制其他所有部件的工作
  • 工作流程：从内存中读取指令 -> 解码指令 -> 根据指令的含义，向其他部件（如运算器、内存、输入输出设备）发出相应的控制信号，指挥它们完成操作
• 运算器
  • 功能：负责执行所有的算术运算和逻辑运算。它是真正”干活“的计算单元
  • 核心部件：
    • 算术逻辑单元：执行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、比较等逻辑运算
    • 寄存器：CPU内部极快但容量很小的存储单元，用于临时存放正在被处理的指令和数据

CPU的逻辑架构

CPU的根本任务是执行指令。这个工作可以分解为一个循环往复的过程，即指令周期

CPU核心部件

控制单元（CU）

CU是CPU的神经中枢，它自己不执行计算，而是负责协调和管理整个CPU的工作

• 功能：
  • 指令获取：从程序计数器（PC）中获取下一条指令的地址，并向内存（实际上的L1缓存）发出请求，获取该指令
  • 指令译码：取回的指令被放入指令寄存器（IR）。通过CU解析这条二进制指令的含义（例如，这是一次加法运算，操作数在哪个寄存器等）
  • 发出控制信号：根据译码结果，CU会激活一系列精密的控制信号线，这些信号像指挥棒一样，控制数据在寄存器、ALU和总线之间的流动。（例如，它会告诉ALU执行加法而不是减法，告诉寄存器文件该读取哪个寄存器，等等）
• 关键组件
  • 程序计数器：一个非常重要的专用寄存器，永远指向下一条要执行的的指令的地址。正常情况下，它每执行完一条指令就自动+1；遇到跳转指令（如if/else、循环）时，则会被填入新的目标地址
  • 指令寄存器：用于存放当前正在执行的指令

算术逻辑单元（ALU）

ALU是CPU中真正进行”计算“的地方，所有数学和逻辑运算都在这里完成- 功能：

• 算术运算：执行加、减、乘、除等基本数学运算。值得注意的是，现代CPU的乘法器和除法器通常是特别优化的电路，但最核心的加法器是ALU的基础
• 逻辑运算：执行与、或、非、异或等逻辑操作
• 位运算：执行位移、位旋转等操作
• 工作原理：
  • ALU从寄存器或内部缓存中获取输入数据（操作数）
  • 根据CU发来的控制信号（例如，”执行加法“），选择相应的计算电路（如加法器）进行运算
  • 将计算结果输出，并设置标志寄存器中的状态位
• 关键组件：
  • 标志寄存器：一组特殊的位（触发器），用于记录ALU上一次运算的结果状态。常见的标志位有：
    • 零标志：结果是否为0
    • 进位标志：运算是否产生了进位或借位
    • 溢出标志：结果是否超出了数据表示的范围
    • 符号标志：结果的符号是正还是负
    • 这些标志位对于后续的条件跳转指令（如”如果相等则跳转“）至关重要

寄存器文件

寄存器是CPU内部速度最快、延迟最低的存储单元，由触发器构成，用于临时存放即刻需要使用的数据、地址或指令

• 特点：
  • 容量很小（x86-64架构的CPU通常只有16各通用寄存器左右），但速度极快，访问速度是纳秒级，远超内存
  • 它们与ALU和CU直接相连，是数据处理的”第一现场“
• 主要类型：
  • 通用寄存器：用于存放数据和地址，程序员或编译器可以灵活使用。例如，在x86-64架构中，有RAX, RBX, RCX, RDX等。RAX常作为累加器，是许多算术运算的默认目标寄存器
  • 专用寄存器
    • 程序计数器：如上所述，属于控制器，但本身也是一个寄存器
    • 指令寄存器：如上所述，数据控制器
    • 堆栈指针：用于管理函数调用时的堆栈
    • 基址指针：也用于堆栈帧的管理

缓存

虽然缓存通常被视为一个独立的层级，但在现代CPU设计中，它已被集成在每个核心内部，是其高效运作不可或缺的一部分

• 作用：解决CPU超高运算速度与相对缓慢的内存速度之间的巨大矛盾
• 层级：
  • L1缓存：速度最快，容量最小（通常为几十KB）。被集成在CPU核心内部。每个核心都有自己独立的L1指令缓存和数据缓存
  • L2缓存：速度比L1慢，但容量更大（通常为几百KB到1MB）。通常也是每个核心独享。
  • L3缓存：速度最慢，但容量最大（通常为几十MB），由所有CPU核心共享
• 工作原则：基于”局部性原理“，将内存中近期可能被用到的数据和指令复制到缓存中。当CPU需要数据时，它首先在L1中寻找，如果找不到（缓存未命中），则依次去L2、L3和主内存中寻找

核心工作流程：指令周期

指令周期通常包含四个主要步骤：

1. 取指
   • 控制器根据程序计数器（一个特殊的寄存器，存放下一条指令的地址）的值，从内存中读取下一条指令
   • 取出的指令被放入指令寄存器中
2. 译码
   • 控制器分析指令寄存器中的指令，弄清楚这条指令要求CPU做什么（是加法？是从内存加载数据？还是跳转到另一个地址？）
   • 这个过程就是把二进制机器码翻译成CPU内部能理解的控制信号
3. 执行
   • 控制器根据译码结果，向相关的部件发出控制信号
   • 如果指令是计算类的（如加法），控制器会命令运算器工作，从寄存器或内存中取出操作数，完成计算
   • 如果指令是数据传送类的（如从内存读取数据），控制器会命令内存总线和寄存器进行数据传输
4. 写回
   • 将执行阶段得到的结果存入指定的位置，比如一个寄存器或者内存中
   • 完成后，程序计数器的值会自动更新，指向下一条要执行的指令地址，然后循环重新开始

CPU的物理实现

存储器

存储器用于存放程序和数据。根据其速度、容量和与CPU的距离，可分为多个层次

• 主存储器

  • 就是常说的内存
  • 特点：速度快，但断电后数据会丢失。CPU可以直接与之交换数据
  • 作用：临时存放当前正在运行的程序和需要处理的数据。他是CPU与外部存储（如硬盘）之间的桥梁。

• 辅助存储器

  • 就是常说的外存或硬盘，包括机械硬盘、固态硬盘、U盘等
  • 特点：容量大、断电后数据不丢失，但速度比内存慢得多
  • 作用：长期保存大量的程序、文档、照片、视频等数据

输入/输出设备

• 输入设备负责将外部的信息（数据或指令）转换成计算机能识别的形式，送入计算机内部
• 输出设备负责将计算机处理后的结果，转换成人能理解的形式（如文字、图像、声音）呈现出来

##总线 以上所有部件并非孤立存在，它们需要通过系统总线链接起来。总线负责在部件之间传输数据、地址和控制信号

• 数据总线：传输实际的数据
• 地址总线：指定数据在内存或I/O设备中的位置
• 控制总线：传输控制器发出的控制信号

存储层次

总结工作流程

以计算“1+2”的例子\

1. 输入：通过键盘输入“1+2”这个指令
2. 存储与传输：指令通过总线被送入内存中暂存
3. 控制与执行：
   • 控制器从内存中读取“1+2”这个指令，并进行解码
   • 控制器指挥运算器进行加法运算
   • 控制器从内存中将数据“1”和“2”取出来，送入运算器
   • 运算器执行1+2的运算，得到结果“3”
4. 输出：运算结果“3”被送回内存，然后通过总线传送给显示器，最终看到屏幕上显示3

局部性原理

局部性原理描述了程序在执行时访问数据（数据访问）和指令（指令访问）的一种可预测的模式。它指出，在短时间内，程序更倾向于重复访问它最近使用过的数据或指令，或者访问这些数据/指令附近的数据

这个原理是计算机体系结构中几乎所有缓存层次（CPU缓存、内存、磁盘缓存等）得以有效工作的理论基础。正是因为存在局部性，我们提前将”可能要用到的数据“拿到更快的存储设备中才是有意义的

局部性原理主要分为两类：

时间局部性

• 核心思想：如果一个数据/指令被访问了，那么它在不久的将来很可能会被再次访问
• 在程序中的体现
  • 循环：循环体内的指令会被反复执行

for (int i = 0; i < 1000; i++) 
{
    sum += i; // 变量 sum 和 i 在每次循环中都被重复访问 -> 强时间局部性
}

• 函数调用：一个被频繁调用的函数，其指令代码会被反复执行
• 计数器、累加器：这些变量会被频繁读写

缓存的作用：基于时间局部性，缓存会将最近访问过的数据保留起来，但CPU再次需要时，直接可以从高速缓存中获取，而无需访问更慢的内存

空间局部性

• 核心思想：如果一个数据/指令被访问了，那么它在存储空间中相邻的数据/指令也很快可能被访问
• 在程序中的体现：
  • 顺序执行的指令：程序中的指令在内存中通常是连续存放的，并被顺序执行（除了分支和跳转）
  • 数组或集合的遍历：访问数组的连续元素

int array[100];
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
    array[i] = i; // 访问 array[i] 后， 接下来很可能会访问 array[i+1] -> 强空间局部性
}

• 对象的字段：一个对象 的多个字段在内存中通常会分配在一起。访问一个字段后，很可能很快会访问统一对象的另一个字段

缓存的作用：基于空间局部性，当CPU从内存中读取一个数据时，缓存不会只读取这一个数据，而是会读取一个连续的数据块（称为缓存行），并将其存入缓存。这样，当CPU需要下一个相邻的数据时，它已经存在于高速缓存中了

局部性原理的实际应用与重要性

1. CPU缓存：这是最直接的应用。L1, L2, L3缓存的存在就是为了利用局部性原理。缓存行（通常是64字节）的设计就是空间局部性的完美体现
2. 内存分页与虚拟内存：操作系统将程序的内存划分为”页“。当程序访问一个不在物理内存中的页时，操作系统会从磁盘调入该页。它不会只调入一个字节，而是调入整个页面（如4KB），这利用了空间局部性。同时，”工作集“概念就是指程序在某段时间内频繁访问的页面集合，这利用了时间局部性
3. 磁盘缓存：操作系统会将最近访问的磁盘扇区内容缓存在内存中，以加速后续的读取。
4. 数据库优化：数据库会缓存频繁执行的查询结果（时间局部性），并且在从磁盘读取数据时，会预读相邻的数据页到缓冲池中（空间局部性）
5. 编程指导原则：理解局部性原理可以帮助程序员写出更高效的代码
   • 高效示例：遍历一个多维数组时，应遵循”行优先“的顺序（在C/C++、Python等语言中），因为内存是线性分布的，行中的元素在内存中是连续的

// 好的写法：空间局部性好
for (int i = 0; i < N; i++)
{
    for (int j = 0;  j < M; j++) 
    {
        array[i][j] = ... // 按行访问
    }
}

- 低效示例：”列优先“遍历会导致频繁跳跃内存访问，破坏空间局部性，造成大量缓存未命中，性能急剧下降

// 差的写法：空间局部性差
for (int j = 0; j < M; j++)
{
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        array[i][j] = ... // 按列访问，每次访问都跳很远
    }
}

总结

局部性原理是一个简单而强大的观察结果：程序的行为在时间和空阿金上往往是可预测和集中的

• 时间局部性：利用”最近用过的，很可能再用“
• 空间局部性：利用”用了这个，很可能用它旁边的“

正是基于这个原理，计算机系统通过构建多层次的存储结构（寄存器 -> 缓存 -> 内存 -> 磁盘），并配合预取、缓存等策略，成功地掩盖了不同存储介质之间巨大的速度差异，从而实现了今天所见的高性能计算