通过地址和索引实现数组、CPU指令执行过程、内存概述及内存物理结构

红太狼 2024-04-02 04:21 75阅读 0赞

**目录**

一、通过地址和索引实现数组

二、CPU指令执行过程

三、内存概述

四、内存的物理结构

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## 一、通过地址和索引实现数组 ##

基址寄存器和变址寄存器，我们可以对主存上的特定区域进行划分，来实现类似数组的操作，首先，我们用十六进制数将计算机内存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址划分出来。那么，凡是该范围的内存地址，只要有一个32位的寄存器，便可查看全部地址。如果想要把数组分割特定的内存区域达到连续查看的目的地，使用两个寄存器会更加方便。

例如：我们用两个寄存器（基址寄存器和变址寄存器）来表示内存的值

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这种表示方式很类似数组的构造，数组是指同样长度的数据在内存中进行连续排列的数据构成。用数组名表示数组全部的值，通过索引来区分数组的各个数据元素，例如：a\[0\] - a\[4\] **\[ \]**内的0-4就是数组的下标

## 二、CPU指令执行过程 ##

几乎所有的冯·诺依曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：**取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回**。

> ● **取指令阶段**：是将内存中的指令读取到CPU中寄存器的过程，程序寄存器用于存储下一条指令所在的地址
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> ● **指令译码阶段**：在取指令完成后，立马进行指令译码阶段，在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法
> 
> ● **执行指令阶段**：译码完成后，就需要执行这一条指令了，此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能
> 
> ● **访问取数阶段**：根据指令的需要，有可能需要从内存中提取数据，此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算
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> ● **结果写回阶段**：作为最后一个阶段，结果写回（Write Back，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式：结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取

## 三、内存概述 ##

内存（Memory）是计算机中最重要的部件之一，它是程序与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中运行的，因此内存对计算机的影响非常大，内存有被称为**主存**，其作用是存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到主存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，主存的运行也决定了计算机的稳定运行

## 四、内存的物理结构 ##

512M内存的物理结构图：

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内存的内部是由各种IC电路组成的，它的种类很庞大，但是其主要分为三种存储器：

> ● 随机存储器（RAM）：内存中最重要的一种，表示即可以从中读取数据，也可以写入数据。当机器关闭时，内存中的信息会**丢失**
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> ● 只读存储器（ROM）：ROM一般只能用于数据的读取，不能写入数据，但是当机器停电时，这些数据不会丢失
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> ● 高速缓存（Cache）：Cache也是我们经常见到的，它分为一级缓存（L1 Cache），二级缓存（L2 Cache）,三级缓存（L3 Cache）这些数据，它位于内存和CPU之间，是一个读写速度比内存**更快**的存储器，当CPU向内存写入数据时，这些数据也会被写入高速缓存中。当CPU需要读取数据时，会直接从高速缓存中直接读取，当然，如需要的数据在Cache中没有，CPU会再去读取内存中的数据

内存IC是一个完整的结构，它内部也有电源、地址信号、数据信号、控制信号和用于寻址的IC引脚来进行数据的读写。下面式一个虚拟的IC引脚示意图：

内存IC引脚配置图：

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图中VCC和GND表示电源，A0-A9是地址信号的引脚，D0-D7表示的是数据信号，RD和WR都是控制信号，图中用不同颜色进行了区分，将电源连接到VCC和GND后，就可以对其他引脚传递0和1的信号，大多数情况下+5V表示1,0V表示0

内存是用来存储数据的，内存IC中能存储多少数据？D0-D7表示的是数据信号，也就是说，一次可以输入输出8bit = 1bit的数据。A0- A9是地址信号共十个，表示可以指定00000 00000 - 11111 11111 共2的10次方 = 1024个地址。每个地址都会存放1byte的数据，因此我们可以得出内存IC的容量就是1KB

我们如果使用时512MB的内存，这就相当于是512000（512\*1000）个内存IC，当然，一台计算机不太可能有这么多个内存IC，然而，通常情况下，一个内存IC会有很多的引脚，也就能存储更多的数据

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