存储器与处理器制作原理

❶ 存储器的原理是什么

存储器讲述工作原理及作用

介绍

存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其概念很广，有很多层次，在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器;在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等;在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。计算机中的存储器按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存),也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

2.按存取方式分类

(1)随机存储器(RAM)：如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间与存储单元的物理位置无关，则这种存储器称为随机存储器(RAM)。RAM主要用来存放各种输入/输出的程序、数据、中间运算结果以及存放与外界交换的信息和做堆栈用。随机存储器主要充当高速缓冲存储器和主存储器。

(2)串行访问存储器(SAS)：如果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说，存取时间与存储单元的物理位置有关，则这种存储器称为串行访问存储器。串行存储器又可分为顺序存取存储器(SAM)和直接存取存储器(DAM)。顺序存取存储器是完全的串行访问存储器，如磁带，信息以顺序的方式从存储介质的始端开始写入(或读出);直接存取存储器是部分串行访问存储器，如磁盘存储器，它介于顺序存取和随机存取之间。

(3)只读存储器(ROM)：只读存储器是一种对其内容只能读不能写入的存储器，即预先一次写入的存储器。通常用来存放固定不变的信息。如经常用作微程序控制存储器。目前已有可重写的只读存储器。常见的有掩模ROM(MROM)，可擦除可编程ROM(EPROM)，电可擦除可编程ROM(EEPROM).ROM的电路比RAM的简单、集成度高，成本低，且是一种非易失性存储器，计算机常把一些管理、监控程序、成熟的用户程序放在ROM中。

3.按信息的可保存性分类

非永久记忆的存储器：断电后信息就消失的存储器，如半导体读/写存储器RAM。

永久性记忆的存储器：断电后仍能保存信息的存储器，如磁性材料做成的存储器以及半导体ROM。

4.按在计算机系统中的作用分

根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。

能力影响

从写命令转换到读命令，在某个时间访问某个地址，以及刷新数据等操作都要求数据总线在一定时间内保持休止状态，这样就不能充分利用存储器通道。此外，宽并行总线和DRAM内核预取都经常导致不必要的大数据量存取。在指定的时间段内，存储器控制器能存取的有用数据称为有效数据速率，这很大程度上取决于系统的特定应用。有效数据速率随着时间而变化，常低于峰值数据速率。在某些系统中，有效数据速率可下降到峰值速率的10%以下。

通常，这些系统受益于那些能产生更高有效数据速率的存储器技术的变化。在CPU方面存在类似的现象，最近几年诸如AMD和 TRANSMETA等公司已经指出，在测量基于CPU的系统的性能时，时钟频率不是唯一的要素。存储器技术已经很成熟，峰值速率和有效数据速率或许并不比以前匹配的更好。尽管峰值速率依然是存储器技术最重要的参数之一，但其他结构参数也可以极大地影响存储器系统的性能。

影响有效数据速率的参数

有几类影响有效数据速率的参数，其一是导致数据总线进入若干周期的停止状态。在这类参数中，总线转换、行周期时间、CAS延时以及RAS到CAS的延时(tRCD)引发系统结构中的大部分延迟问题。

总线转换本身会在数据通道上产生非常长的停止时间。以GDDR3系统为例，该系统对存储器的开放页不断写入数据。在这期间，存储器系统的有效数据速率与其峰值速率相当。不过，假设100个时钟周期中，存储器控制器从读转换到写。由于这个转换需要6个时钟周期，有效的数据速率下降到峰值速率的 94%。在这100个时钟周期中，如果存储器控制器将总线从写转换到读的话，将会丢失更多的时钟周期。这种存储器技术在从写转换到读时需要15个空闲周期，这会将有效数据速率进一步降低到峰值速率的79%。表1显示出针几种高性能存储器技术类似的计算结果。

显然，所有的存储器技术并不相同。需要很多总线转换的系统设计师可以选用诸如XDR、RDRAM或者DDR2这些更高效的技术来提升性能。另一方面，如果系统能将处理事务分组成非常长的读写序列，那么总线转换对有效带宽的影响最小。不过，其他的增加延迟现象，例如库(bank)冲突会降低有效带宽，对性能产生负面影响。

DRAM技术要求库的页或行在存取之前开放。一旦开放，在一个最小周期时间，即行周期时间(tRC)结束之前，同一个库中的不同页不能开放。对存储器开放库的不同页存取被称为分页遗漏，这会导致与任何tRC间隔未满足部分相关的延迟。对于还没有开放足够周期以满足tRC间隙的库而言，分页遗漏被称为库冲突。而tRC决定了库冲突延迟时间的长短，在给定的DRAM上可用的库数量直接影响库冲突产生的频率。

大多数存储器技术有4个或者8个库，在数十个时钟周期具有tRC值。在随机负载情况下，那些具有8个库的内核比具有4个库的内核所发生的库冲突更少。尽管tRC与库数量之间的相互影响很复杂，但是其累计影响可用多种方法量化。

存储器读事务处理

考虑三种简单的存储器读事务处理情况。第一种情况，存储器控制器发出每个事务处理，该事务处理与前一个事务处理产生一个库冲突。控制器必须在打开一个页和打开后续页之间等待一个tRC时间，这样增加了与页循环相关的最大延迟时间。在这种情况下的有效数据速率很大程度上决定于I/O，并主要受限于DRAM内核电路。最大的库冲突频率将有效带宽削减到当前最高端存储器技术峰值的20%到30%。

在第二种情况下，每个事务处理都以随机产生的地址为目标。此时，产生库冲突的机会取决于很多因素，包括tRC和存储器内核中库数量之间的相互作用。tRC值越小，开放页循环地越快，导致库冲突的损失越小。此外，存储器技术具有的库越多，随机地址存取库冲突的机率就越小。

第三种情况，每个事务处理就是一次页命中，在开放页中寻址不同的列地址。控制器不必访问关闭页，允许完全利用总线，这样就得到一种理想的情况，即有效数据速率等于峰值速率。

第一种和第三种情况都涉及到简单的计算，随机情况受其他的特性影响，这些特性没有包括在DRAM或者存储器接口中。存储器控制器仲裁和排队会极大地改善库冲突频率，因为更有可能出现不产生冲突的事务处理，而不是那些导致库冲突的事务处理。

然而，增加存储器队列深度未必增加不同存储器技术之间的相对有效数据速率。例如，即使增加存储器控制队列深度，XDR的有效数据速率也比 GDDR3高20%。存在这种增量主要是因为XDR具有更高的库数量以及更低的tRC值。一般而言，更短的tRC间隔、更多的库数量以及更大的控制器队列能产生更高的有效带宽。

实际上，很多效率限制现象是与行存取粒度相关的问题。tRC约束本质上要求存储器控制器从新开放的行中存取一定量的数据，以确保数据管线保持充满。事实上，为保持数据总线无中断地运行，在开放一个行之后，只须读取很少量的数据，即使不需要额外的数据。

另外一种减少存储器系统有效带宽的主要特性被归类到列存取粒度范畴，它规定了每次读写操作必须传输的数据量。与之相反，行存取粒度规定每个行激活(一般指每个RAS的CAS操作)需要多少单独的读写操作。列存取粒度对有效数据速率具有不易于量化的巨大影响。因为它规定一个读或写操作中需要传输的最小数据量，列存取粒度给那些一次只需要很少数据量的系统带来了问题。例如，一个需要来自两列各8字节的16字节存取粒度系统，必须读取总共32字节以存取两个位置。因为只需要32个字节中的16个字节，系统的有效数据速率降低到峰值速率的50%。总线带宽和脉冲时间长度这两个结构参数规定了存储器系统的存取粒度。

总线带宽是指连接存储器控制器和存储器件之间的数据线数量。它设定最小的存取粒度，因为对于一个指定的存储器事务处理，每条数据线必须至少传递一个数据位。而脉冲时间长度则规定对于指定的事务处理，每条数据线必须传递的位数量。每个事务处理中的每条数据线只传一个数据位的存储技术，其脉冲时间长度为1。总的列存取粒度很简单：列存取粒度=总线宽度×脉冲时间长度。

很多系统架构仅仅通过增加DRAM器件和存储总线带宽就能增加存储系统的可用带宽。毕竟，如果4个400MHz数据速率的连接可实现 1.6GHz的总峰值带宽，那么8个连接将得到3.2GHz。增加一个DRAM器件，电路板上的连线以及ASIC的管脚就会增多，总峰值带宽相应地倍增。

首要的是，架构师希望完全利用峰值带宽，这已经达到他们通过物理设计存储器总线所能达到的最大值。具有256位甚或512位存储总线的图形控制器已并不鲜见，这种控制器需要1,000个，甚至更多的管脚。封装设计师、ASIC底层规划工程师以及电路板设计工程师不能找到采用便宜的、商业上可行的方法来对这么多信号进行布线的硅片区域。仅仅增加总线宽度来获得更高的峰值数据速率，会导致因为列存取粒度限制而降低有效带宽。

假设某个特定存储技术的脉冲时间长度等于1，对于一个存储器处理，512位宽系统的存取粒度为512位(或者64字节)。如果控制器只需要一小段数据，那么剩下的数据就被浪费掉，这就降低了系统的有效数据速率。例如，只需要存储系统32字节数据的控制器将浪费剩余的32字节，进而导致有效的数据速率等于50%的峰值速率。这些计算都假定脉冲时间长度为1。随着存储器接口数据速率增加的趋势，大多数新技术的最低脉冲时间长度都大于1。

选择技巧

存储器的类型将决定整个嵌入式系统的操作和性能，因此存储器的选择是一个非常重要的决策。无论系统是采用电池供电还是由市电供电，应用需求将决定存储器的类型(易失性或非易失性)以及使用目的(存储代码、数据或者两者兼有)。另外，在选择过程中，存储器的尺寸和成本也是需要考虑的重要因素。对于较小的系统，微控制器自带的存储器就有可能满足系统要求，而较大的系统可能要求增加外部存储器。为嵌入式系统选择存储器类型时，需要考虑一些设计参数，包括微控制器的选择、电压范围、电池寿命、读写速度、存储器尺寸、存储器的特性、擦除/写入的耐久性以及系统总成本。

选择存储器时应遵循的基本原则

1、内部存储器与外部存储器

一般情况下，当确定了存储程序代码和数据所需要的存储空间之后，设计工程师将决定是采用内部存储器还是外部存储器。通常情况下，内部存储器的性价比最高但灵活性最低，因此设计工程师必须确定对存储的需求将来是否会增长，以及是否有某种途径可以升级到代码空间更大的微控制器。基于成本考虑，人们通常选择能满足应用要求的存储器容量最小的微控制器，因此在预测代码规模的时候要必须特别小心，因为代码规模增大可能要求更换微控制器。目前市场上存在各种规模的外部存储器器件，我们很容易通过增加存储器来适应代码规模的增加。有时这意味着以封装尺寸相同但容量更大的存储器替代现有的存储器，或者在总线上增加存储器。即使微控制器带有内部存储器，也可以通过增加外部串行EEPROM或闪存来满足系统对非易失性存储器的需求。

2、引导存储器

在较大的微控制器系统或基于处理器的系统中，设计工程师可以利用引导代码进行初始化。应用本身通常决定了是否需要引导代码，以及是否需要专门的引导存储器。例如，如果没有外部的寻址总线或串行引导接口，通常使用内部存储器，而不需要专门的引导器件。但在一些没有内部程序存储器的系统中，初始化是操作代码的一部分，因此所有代码都将驻留在同一个外部程序存储器中。某些微控制器既有内部存储器也有外部寻址总线，在这种情况下，引导代码将驻留在内部存储器中，而操作代码在外部存储器中。这很可能是最安全的方法，因为改变操作代码时不会出现意外地修改引导代码。在所有情况下，引导存储器都必须是非易失性存储器。

可以使用任何类型的存储器来满足嵌入式系统的要求，但终端应用和总成本要求通常是影响我们做出决策的主要因素。有时，把几个类型的存储器结合起来使用能更好地满足应用系统的要求。例如，一些PDA设计同时使用易失性存储器和非易失性存储器作为程序存储器和数据存储器。把永久的程序保存在非易失性ROM中，而把由用户下载的程序和数据存储在有电池支持的易失性DRAM中。不管选择哪种存储器类型，在确定将被用于最终应用系统的存储器之前，设计工程师必须仔细折中考虑各种设计因素。

❷ CPU工作原理

CPU的运行原理就是：

1、取指令：CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是这个样子滴：操作码就是汇编语言里的mov，add，jmp等符号码；操作数地址说明该指令需要的操作数所在的地方，是在内存里还是在CPU的内部寄存器里。

2、指令译码（解码）：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作（就是指令里的操作码）、操作数在哪里（操作数的地址）。

3、执行指令（写回），以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速存取。

4、 修改指令计数器，决定下一条指令的地址。

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CPU的主要功能：

1、处理指令：这是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性。

2、执行操作：一条指令的功能往往是由计算机中的部件执行一系列的操作来实现的。CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

3、控制时间；时间控制就是对各种操作实施时间上的定时。在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制。只有这样，计算机才能有条不紊地工作。

4、处理数据：即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理。

❸ 存储器与CPU的工作关系，请详细说明一下

CPU是加工线，内存是中转仓库（保存待加工和半成品件），硬盘是进出厂总库，理解了吗？
数据存储在硬盘上，然后读入内存等待CPU进行调取和运算，CPU将运算结果返回内存中，进程结束后内存中数据进行转存或保存到硬盘上。

❹ cpu的基本结构及其工作原理

1、CPU的外形及结构
CPU是整个计算机系统的核心部件，外部结构如下图所示。CPU看上去非常简单，是一个矩形片状物体。其中间凸起部分是CPU核心，它一般是一片指甲大小的、薄薄的硅晶片，在这块小小的硅片上，密布着数以千万计的晶体管，它们相互配合协调，完成各种复杂的运算和操作。为帮助散热，一般在CPU的核心上都加装一个金属封装壳，金属封装壳周围是CPU基板，它将CPU内部的信号引接到CPU针脚上。基板的背面有许多密密麻麻的镀金针脚，它是CPU与外部电路连接的通道。

2、CPU的组成部分
CPU内部主要由运算器、控制器和寄存器组组成，如下图所示。

运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算。控制器是CPU的指挥中心，它能对计算机指令进行分析，产生各种控制型信号。寄存器组用来临时存放参加运算的数据和计算的中间结果。
3、CPU的工作原理
CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程：进人工厂的原料（程序指令），经过物资部门（控制器）的调度分配，被送往生产线（运算器），生产出成品（寄存器组）后，再存储在仓库（内存）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。这个过程看起来相当长，实际上只是一瞬间发生的事情。也可以这样理解CPU只执行三种基本的操作，分别是读出数据、处理数据和往内存写数据。
现在，主流CPU还是Intel和AMD两家的天下。无论是高端还是低端，两大品牌都有着全线的产品。具体型号及产品可自行网络，这里不做过多介绍。

4、CPU常用术语
4.1．主频
衡量CPU速度快慢的一个重要指标就是CPU的工作频率，也叫做CPU的主频，主频亦称为内频。主频就是CPU的时钟频率，它控制着CPU工作节拍，主频越高，CPU工作节拍就越快，运算速度也就越高。主频通常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲数来测定，计量单位一般为MHz或GHz。目前P4的主频达3GHz以上，IBM公司已研制出速度高达110GHz。
4.2．外频
CPU跟外部（即系统总线）接触沟通的频率称为外频。外频是由主板提供，CPU以这个频率跟系统其他的配件进行沟通，因此，外频亦称为系统总线频率或前端总线速度（FSB）。早期CPU内部与外部的工作频率都相同，后来主频要比外频快。现在PⅢ的外频为133 MHz，P4的外频可采用高达800MHz的外频。
4.3．倍频
CPU的倍频，即倍频系数。它足指CPU主频和外频之间存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数。所以，主频和外频、倍频三者的关系是：主频=外频×倍频
4.4．超频
外频和倍频都可以根据CPU参数通过主板跳线或程序来设置，从而设定CPU主频。通过适当提高外频或倍频，有些CPU的主频可以超过它的标称工作频率，这就是习惯上称的“超频”。超频可以在一定程度上提高系统的性能，但是超频会导致CPU的功耗增加，使CPU工作温度升高，甚至损坏CPU。
4.5．一级缓存（L1 Cache）
一级缓存也称L1高速缓存，它封装在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频相近。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，一级缓存容量越大，则CPU处理速度就会越快，对应的CPU价格也就越高。
4.6．二级缓存（L2 Cache）
二级缓存亦称L2高速缓存，指CPU外部的高速缓存。像一级缓存一样，二级缓存越大，则CPU处理速度就越快，整台计算机性能也就越好。一级缓存和二级缓存都位于CPU和内存之间，用于缓解高速CPU与慢速内存速度匹配问题。
4.7、超线程技术
超线程技术是Intel的创新设计，就是在一个处理器中放人两个逻辑处理单元，让多线程的应用程序能够并行处理多项任务，提高CPU的运行效率。

❺ 计算机的存储程序工作原理是什么

计算机的基本原理是:

存储程序和程序控制。

预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列(称为程序)和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。

每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。

1计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。

2接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。

3程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。

4这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。

❻ 目前计算机使用的处理器和存储器芯片主要是什么电路

目前计算机使用的处理器和存储器芯片主要是VLSI超大规模集成电路。

超大规模集成电路（ Very Large Scale Integration Circuit，VLSI）是一种将大量晶体管组合到单一芯片的集成电路，其集成度大于大规模集成电路。

集成的晶体管数在不同的标准中有所不同。从1970年代开始，随着复杂的半导体以及通信技术的发展，集成电路的研究、发展也逐步展开。

计算机里的控制核心微处理器就是超大规模集成电路的最典型实例，超大规模集成电路设计（ VLSI design），尤其是数字集成电路，通常采用电子设计自动化的方式进行，已经成为计算机工程的重要分支之一。

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世界上超大规模集成电路厂（Integrated Circuit， 简称IC，台湾称之为晶圆厂）主要集中分布于美国、日本、西欧、新加坡及台湾等少数发达国家和地区，其中台湾地区占有举足轻重的地位。

但由于近年来台湾地区历经地震、金融危机、政府更迭等一系列事件影响，使得本来就存在资源匮乏、市场狭小、人心浮动的台湾岛更加动荡不安，于是就引发了一场晶圆厂外迁的风潮。而具有幅员辽阔、资源充足、巨大潜在市场、充沛的人力资源供给等方面优势的祖国大陆当然顺理成章地成为了其首选的迁往地。

❼ cpu和内存的工作原理

内存工作原理:
内存带宽一般取决于内存频率，而总线带宽最好和内存带宽保持一致。内存带宽超过总线带宽的话，不超频的情况下，那么也只能按总线带宽来传输数据。那么在这种情况下，内存的频率是否有变化？
比如：1.假设有一块总线频率为800MHZ，并且支持1066MHZ内存的主板上插一根1066MHZ的内存条，（CPU总线800）那么内存带宽最多只有6.4G/S，而其频率仍然是1066？还是只有800了？
2.如果在一块总线频率为1066的主板上（CPU总线1066）组2根667内存双通道，那么其内存带宽为8.5G/S，而其内存频率是2个667还是2个533？

另外，现在的DDR3号称虽然延迟时序比DDR2要多，但绝对延迟值却比DDR2要小，因为要将内存运行频率计算在内。那么问题就来了：DDR3的绝对延迟值是在其运行频率100%发挥的前提下的结果，如果内存频率受到瓶颈限制的话，其绝对延迟值还是这么低吗？比如：总线频率为800MHZ，主板支持的情况下，配一根DDR3 1066MHZ的内存，其绝对延迟值是变大了，还是不变？

CPU的原始工作模式

在了解CPU工作原理之前，我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此，从这个意义上说，CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应！这样，计算机就具备了处理信息的能力。

但你不要以为，只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单，其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来，科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，再后来才有了微处理器。

看到这里，你一定想知道，晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢？其实，所有电子设备都有自己的电路和开关，电子在电路中流动或断开，完全由开关来控制，如果你将开关设置为OFF，电子将停止流动，如果你再将其设置为ON，电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制，我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样，晶体管的ON状态用“1”来表示，而OFF状态则用“0”来表示，就可以组成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子，十进位中的1在二进位模式时也是“1”，2在二进位模式时是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此类推，这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制，晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。

CPU的内部结构

现在我们已经大概知道CPU是负责些什么事情，但是具体由哪些部件负责处理数据和执行程序呢？

1.算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)
ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的，这里就相当于工厂中的生产线，负责运算数据。

2.寄存器组 RS(Register Set或Registers)
RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。

3.控制单元(Control Unit)
正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

4.总线(Bus)
就像工厂中各部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。直接和CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括: 数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus) 、控制总线CB(Control Bus)。其中，数据总线用来传输数据信息；地址总线用于传送CPU发出的地址信息；控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。

CPU的工作流程

由晶体管组成的CPU是作为处理数据和执行程序的核心，其英文全称是:Central Processing Unit，即中央处理器。首先，CPU的内部结构可以分为控制单元，逻辑运算单元和存储单元(包括内部总线及缓冲器)三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。

数据与指令在CPU中的运行

刚才已经为大家介绍了CPU的部件及基本原理情况，现在，我们来看看数据是怎样在CPU中运行的。我们知道，数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。

我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针(Instruction Pointer)会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址)，可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。

假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。

基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。我们很容易想到，在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间，这就是我们所熟悉的CPU的标称速度，也称为主频。主频数值越高，表明CPU的工作速度越快。

如何提高CPU工作效率

既然CPU的主要工作是执行指令和处理数据，那么工作效率将成为CPU的最主要内容，因此，各CPU厂商也尽力使CPU处理数据的速度更快。

根据CPU的内部运算结构，一些制造厂商在CPU内增加了另一个算术逻辑单元(ALU)，或者是另外再设置一个处理非常大和非常小的数据浮点运算单元(Floating Point Unit，FPU)，这样就大大加快了数据运算的速度。

而在执行效率方面，一些厂商通过流水线方式或以几乎并行工作的方式执行指令的方法来提高指令的执行速度。刚才我们提到，指令的执行需要许多独立的操作，诸如取指令和译码等。最初CPU在执行下一条指令之前必须全部执行完上一条指令，而现在则由分布式的电路各自执行操作。也就是说，当这部分的电路完成了一件工作后，第二件工作立即占据了该电路，这样就大大增加了执行方面的效率。

另外，为了让指令与指令之间的连接更加准确，现在的CPU通常会采用多种预测方式来控制指令更高效率地执行。

❽ 叙述微型计算机中的多级存储体系以及工作原理

1. 多级存储体系

   多级存储结构构成的存储体系是一个整体。从CPU看来，这个整体的速度接近于Cache和寄存器的操作速度、容量是辅存（或海量存储器）的容量，每位价格接近于辅存的位价格。从而较好地解决了存储器中速度、容量、价格三者之间的矛盾，满足了计算机系统的应用需要。
   

2. 工作原理

   存储器的层次结构能够成功的关键在于处理器访问存储器的频率递减。在执行程序期间，处理器的指令存储访问和数据存储访问呈现簇状，典型的程序包括许多迭代循环和子程序，一旦程序进入一个循环或子程序执行，就会重复访问一个小范围的指令集合。同理，对表和数组的操作涉及到存取一簇数据，经过很长一段时间，程序访问的簇会改变，但在较短的时间内，处理器主要访问存储器中固定的簇。

   因此，可以通过层次组织数据，使得随着组织层次的递减，各层次的访问比例也 依次递减。以二级存储器为例，让第二级存储器包含所有的指令和数据，程序当前的访问簇暂时存放在第一级存储器中。有时第一级存储器中的某个簇要放到第二级存储器中，以便为新的簇进入第一级存储器让出空间。

❾ 简述SRAM,DRAM型存储器的工作原理

个人电脑的主要结构:
显示器
主机板
CPU
(微处理器)
主要储存器
(记忆体)
扩充卡
电源供应器
光盘机
次要储存器
(硬盘)
键盘
鼠标
尽管计算机技术自20世纪40年代第一台电子通用计算机诞生以来以来有了令人目眩的飞速发展，但是今天计算机仍然基本上采用的是存储程序结构，即冯·诺伊曼结构。这个结构实现了实用化的通用计算机。
存储程序结构间将一台计算机描述成四个主要部分：算术逻辑单元（ALU），控制电路，存储器，以及输入输出设备（I/O）。这些部件通过一组一组的排线连接（特别地，当一组线被用于多种不同意图的数据传输时又被称为总线），并且由一个时钟来驱动（当然某些其他事件也可能驱动控制电路）。
概念上讲，一部计算机的存储器可以被视为一组“细胞”单元。每一个“细胞”都有一个编号，称为地址；又都可以存储一个较小的定长信息。这个信息既可以是指令（告诉计算机去做什么），也可以是数据（指令的处理对象）。原则上，每一个“细胞”都是可以存储二者之任一的。
算术逻辑单元（ALU）可以被称作计算机的大脑。它可以做两类运算：第一类是算术运算，比如对两个数字进行加减法。算术运算部件的功能在ALU中是十分有限的，事实上，一些ALU根本不支持电路级的乘法和除法运算（由是使用者只能通过编程进行乘除法运算）。第二类是比较运算，即给定两个数，ALU对其进行比较以确定哪个更大一些。
输入输出系统是计算机从外部世界接收信息和向外部世界反馈运算结果的手段。对于一台标准的个人电脑，输入设备主要有键盘和鼠标，输出设备则是显示器，打印机以及其他许多后文将要讨论的可连接到计算机上的I/O设备。
控制系统将以上计算机各部分联系起来。它的功能是从存储器和输入输出设备中读取指令和数据，对指令进行解码，并向ALU交付符合指令要求的正确输入，告知ALU对这些数据做那些运算并将结果数据返回到何处。控制系统中一个重要组件就是一个用来保持跟踪当前指令所在地址的计数器。通常这个计数器随着指令的执行而累加，但有时如果指令指示进行跳转则不依此规则。
20世纪80年代以来ALU和控制单元（二者合成中央处理器，CPU）逐渐被整合到一块集成电路上，称作微处理器。这类计算机的工作模式十分直观：在一个时钟周期内，计算机先从存储器中获取指令和数据，然后执行指令，存储数据，再获取下一条指令。这个过程被反复执行，直至得到一个终止指令。
由控制器解释，运算器执行的指令集是一个精心定义的数目十分有限的简单指令集合。一般可以分为四类：1）、数据移动（如：将一个数值从存储单元A拷贝到存储单元B）2）、数逻运算（如：计算存储单元A与存储单元B之和，结果返回存储单元C）3）、条件验证（如：如果存储单元A内数值为100，则下一条指令地址为存储单元F）4）、指令序列改易（如：下一条指令地址为存储单元F）
指令如同数据一样在计算机内部是以二进制来表示的。比如说，10110000就是一条Intel
x86系列微处理器的拷贝指令代码。某一个计算机所支持的指令集就是该计算机的机器语言。因此，使用流行的机器语言将会使既成软件在一台新计算机上运行得更加容易。所以对于那些机型商业化软件开发的人来说，它们通常只会关注一种或几种不同的机器语言。
更加强大的小型计算机，大型计算机和服务器可能会与上述计算机有所不同。它们通常将任务分担给不同的CPU来执行。今天，微处理器和多核个人电脑也在朝这个方向发展。
超级计算机通常有着与基本的存储程序计算机显着区别的体系结构。它们通常由者数以千计的CPU，不过这些设计似乎只对特定任务有用。在各种计算机中，还有一些微控制器采用令程序和数据分离的哈佛架构（Harvard
architecture）。