淺談CPU，內核，寄存器，緩存，RAM，ROM的作用和他們之間的聯系

2020-02-15 21:24 作者：艾銻無限 瀏覽量：

 
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計算機硬件組成大致如下： CPU：
中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規模的集成電路，是一臺計算機的運算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。
中央處理器主要包括運算器（算術邏輯運算單元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速緩沖存儲器（Cache）及實現它們之間聯系的數據（Data）、控制及狀態的總線（Bus）。它與內部存儲器（Memory）和輸入/輸出（I/O）設備合稱為電子計算機三大核心部件。

寄存器
寄存器是中央處理器內的組成部份。它跟CPU有關。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數據和位址。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)和程序計數器(PC)。在中央處理器的算術及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。
存儲器
存儲器范圍最大，它幾乎涵蓋了所有關于存儲的范疇。你所說的寄存器，內存，都是存儲器里面的一種。凡是有存儲能力的硬件，都可以稱之為存儲器，這是自然，硬盤更加明顯了，它歸入外存儲器行列，由此可見——。
內存
內存既專業名上的內存儲器，它不是個什么神秘的東西，它也只是存儲器中的滄海一粟，它包涵的范圍也很大，一般分為只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM），以及最強悍的高速緩沖存儲器（CACHE），只讀存儲器應用廣泛，它通常是一塊在硬件上集成的可讀芯片，作用是識別與控制硬件，它的特點是只可讀取，不能寫入。隨機存儲器的特點是可讀可寫，斷電后一切數據都消失，我們所說的內存條就是指它了。、

緩存CACHE
緩存就是數據交換的緩沖區（稱作Cache），當某一硬件要讀取數據時，會首先從緩存中查找需要的數據，如果找到了則直接執行，找不到的話則從內存中找。由于緩存的運行速度比內存快得多，故緩存的作用就是幫助硬件更快地運行。

因為緩存往往使用的是RAM（斷電即掉的非永久儲存），所以在用完后還是會把文件送到硬盤等存儲器里永久存儲。電腦里最大的緩存就是內存條了，最快的是CPU上鑲的L1和L2緩存，顯卡的顯存是給顯卡運算芯片用的緩存，硬盤上也有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器，它是計算機存儲器中最強悍的存儲器。由于技術限制，容量很難提升。
ROM、RAM的區別：
ROM（只讀存儲器或者固化存儲器）
RAM（隨機存取存儲器）
ROM和RAM指的都是半導體存儲器，ROM是Read Only Memory的縮寫，RAM是Random Access Memory的縮寫。ROM在系統停止供電的時候仍然可以保持數據，而RAM通常都是在掉電之后就丟失數據，典型的RAM就是計算機的內存。

RAM有兩大類，一種稱為靜態RAM（Static RAM/SRAM），當數據被存入其中后不會消失。SRAM速度非常快，是目前讀寫最快的存儲設備了。當這個SRAM 單元被賦予0 或者1 的狀態之后，它會保持這個狀態直到下次被賦予新的狀態或者斷電之后才會更改或者消失。但是存儲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的一級緩沖，二級緩沖。另一種稱為動態RAM（Dynamic RAM/DRAM），DRAM 必須在一定的時間內不停的刷新才能保持其中存儲的數據。DRAM 只要1 只晶體管就可以實現。DRAM保留數據的時間很短，速度也比SRAM慢，不過它還是比任何的ROM都要快，但從價格上來說DRAM相比SRAM要便宜很 多，計算機內存就是DRAM的。

DRAM分為很多種，常見的主要有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）也稱作DDR SDRAM，這種改進型的RAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數據，這樣就使得數據傳輸速度加倍了。這是目前電腦中用 得最多的內存，而且它有著成本優勢，事實上擊敗了Intel的另外一種內存標準－Rambus DRAM。在很多高端的顯卡上，也配備了高速DDR RAM來提高帶寬，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）兩者區別是，PROM是一次性的，也就是軟件灌入后，就無法修 改了，這種是早期的產品，現在已經不可能使用了，而EPROM是通過紫外光的照射擦出原先的程序，是一種通用的存儲器。另外一種EEPROM是通過電子擦出，價格很高，寫入時間很長，寫入很慢。
最初,把只能讀的存儲器叫做ROM(Read Only Memory),并且掉電后數據不會丟失。由于不能改寫，因而使用起來很不方便。隨著技術的進步，在ROM中使用一些新技術，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，由于是通過熔斷熔絲來編程的，所以這類ROM編程后，就不能再寫了，是一次性的(OTP)。后來又出現了EPROM，是通過紫外線來擦除的，并且通過高壓來編程，這類ROM上面一般有一個透明的石英玻璃窗，看上去挺漂亮的，它就是用來給紫外線照射的。后來又出現了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一般有一個特點，就是寫數據時，可以將1改為0，而不能將0改為1，因而寫數據前需要擦除，擦除時將所有數據置1。
之所以依然叫做ROM，歸納以下，大概有幾個原因：

1. 不能像RAM那樣快速的寫；
2. 可能需要特殊的擦寫電壓；
3. 可能需要特殊的擦寫時序；
4. 可能需要在寫之前進行擦除操作；
5. 擦寫的次數有限，不像RAM那樣可以隨意寫而不損壞；
6. 掉電后數據不丟失；
7. 有寫可寫的存儲器只能寫一次（OTP）。

舉個例子，手機軟件一般放在EEPROM中，我們打電話，有些最后撥打的號碼，暫時是存在SRAM中的，不是馬上寫入通過記錄（通話記錄保存在EEPROM中），因為當時有很重要工作（通話）要做，如果寫入，漫長的等待是讓用戶忍無可忍的。

FLASH存儲器又稱閃存，它結合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦出可編程（EEPROM）的性能，還不會斷電丟失數據同時可以快速讀取數據 （NVRAM的優勢），U盤和MP3里用的就是這種存儲器。在過去的20年里，嵌入式系統一直使用ROM（EPROM）作為它們的存儲設備，然而近年來 Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系統中的地位，用作存儲Bootloader以及操作系統或者程序代碼或者直接當硬盤使用（U盤）。

目前Flash主要有兩種NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash的讀取和我們常見的SDRAM的讀取是一樣，用戶可以直接運行裝載在NOR FLASH里面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節約了成本。NAND Flash沒有采取內存的隨機讀取技術，它的讀取是以一次讀取一快的形式來進行的，通常是一次讀取512個字節，采用這種技術的Flash比較廉價。用戶 不能直接運行NAND Flash上的代碼，因此好多使用NAND Flash的開發板除了使用NAND Flah以外，還作上了一塊小的NOR Flash來運行啟動代碼。
一般小容量的用NOR Flash，因為其讀取速度快，多用來存儲操作系統等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常見的NAND FLASH應用是嵌入式系統采用的DOC（Disk On Chip）和我們通常用的“閃盤”，可以在線擦除。