CPU、内存与硬盘及IO操作

1、概念简介

1.1 CPU（Central Processing Unit，中央处理器）

1.2 硬盘（Hard Disk Drive）

1.3 内存（Memory）

2、计算机程序在进行io读写操作时，这三者的功能和实现原理

1、概念简介

1.1 CPU（Central Processing Unit，中央处理器）

计算机处理器是解释和执行指令的功能单元，也称为中央处理器或cpu，它是计算机的中枢神经系统，与处理器和内存周围被称为外设的设备形成对比，如键盘、显示器、磁盘、磁带机等都是外设。每一种处理器都有一套独特的操作命令，可称为处理器的指令集，如存储、调入等之类都是操作命令。计算机的设计者喜欢将计算机称为机器，因此，指令集有时也称为机器指令，编写这些指令的二进制语言也叫机器语言。中央处理器（英文Central Processing Unit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。

CPU 主要包含以下几个主要组件：

1. 控制单元（Control Unit）：负责控制和协调 CPU 内部各个组件的操作，解码指令并生成相应的控制信号。

2. 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）：执行算术运算（如加法、减法等）和逻辑运算（如与、或、非等），处理数据的运算和逻辑判断。

3. 寄存器（Registers）：用于暂时存储指令、数据和中间结果。常见的寄存器有程序计数器（PC）、累加器（Accumulator）等。

4. 缓存（Cache）：作为 CPU 内部和主存之间的高速缓存，存储最近使用的指令和数据，以提高访问速度。

CPU 的工作原理通常包括以下几个步骤：

1. 取指令（Instruction Fetch）：从内存中获取下一条指令。

2. 解码指令（Instruction Decode）：将指令进行解码，确定需要执行的操作。

3. 执行指令（Instruction Execute）：根据指令进行相应的算术运算、逻辑判断等操作。

4. 访问内存（Memory Access）：如果需要从内存中读取或写入数据，则进行相应的内存访问操作。

5. 写回结果（Write Back）：将运算结果写回寄存器或内存。

差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。 CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。

CPU 的性能通常由时钟频率、指令集架构、缓存大小和核心数量等因素决定。较高的时钟频率和更先进的指令集架构可以提供更快的处理速度，而较大的缓存和更多的核心可以提供更好的并行计算能力。

1.2 硬盘（Hard Disk Drive）

计算机硬盘是一种用于存储和检索数据的非易失性存储设备，也被称为硬盘驱动器（Hard Disk Drive，HDD）。它是计算机系统中的主要存储介质之一，用于长期保存操作系统、应用程序、用户文件和数据等。

硬盘由多个盘片（或称为碟片）组成，每个盘片都具有磁性表面。这些盘片通过一个旋转的主轴连接在一起，并且可以快速旋转，通常以每分钟数千转的速度。

数据通过磁性读写头进行读写。磁头位于盘片的两侧，能够在其上方悬停并移动。当盘片旋转时，磁头可以在特定位置上进行读取或写入数据。读取时，磁头会感应盘片上的磁场变化，并将其转换为数字信号。写入时，磁头会改变磁性表面上的磁场，以存储数据。

硬盘通过一个控制器与计算机相连。控制器负责管理数据的读写操作，并将数据传输到计算机的内存中。硬盘使用文件系统来组织和管理存储的数据，常见的文件系统包括NTFS、FAT32、exFAT等。

硬盘的容量通常以字节为单位进行表示，现代硬盘的容量可以从几百GB到数TB不等。较大的容量使得硬盘能够存储更多的文件和数据。

需要注意的是，硬盘是机械设备，因此相对于固态硬盘（SSD）来说，它的读写速度较慢，而且对震动和冲击比较敏感。然而，硬盘仍然被广泛应用于桌面计算机、服务器和其他需要大容量存储的设备中，因为它相对便宜且容量大。

计算机最主要的存储设备，容量大，断电数据不丢失。

正常分类：机械硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）以及混合硬盘（SSHD）

固态硬盘在开机速度和程序加载速度远远高于机械硬盘，缺点就是贵，所有无法完全取代机械硬盘。

1.3 内存（Memory）

计算机中的内存是指随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），它是一种用于临时存储数据和程序的计算机组件。内存通常被认为是计算机中最重要的部件之一，因为它直接影响着计算机的性能和运行速度。

内存主要有以下几个特点：

1. 临时存储：内存用于存放正在执行的程序、操作系统和数据，以便 CPU 快速访问。与硬盘等永久存储设备不同，内存中的数据在断电后会丢失。
2. 随机访问：内存是“随机存取存储器”的缩写，意味着计算机可以直接访问内存中的任何位置，而无需按顺序访问。
3. 快速读写：相对于硬盘等永久存储设备，内存的读写速度非常快，这也是它对计算机性能产生重大影响的原因之一。

内存的主要作用包括但不限于以下几点：
1. 存放操作系统和正在运行的程序：当计算机启动时，操作系统会加载到内存中，同时正在运行的程序也会被加载到内存中以供 CPU 执行。负责硬盘上的数据与CPU之间数据交换处理
2. 加速数据访问：内存中的数据可以快速被 CPU 访问，这有助于提高计算机的整体运行速度。保存从硬盘读取的数据，提供给CPU使用；保存CPU的一些临时执行结果，以便CPU下次使用或保存到硬盘。
3. 提升多任务处理能力：较大的内存容量可以让计算机同时运行更多的程序，从而提升多任务处理的效率。

内存的容量通常以GB（Gigabytes）为单位进行表示，现代计算机的内存容量可以从几GB到数十GB不等。同时，内存的工作频率（速度）也是影响其性能的重要因素之一。

总的来说，内存是计算机系统中至关重要的组件，它直接关系到计算机的运行速度和多任务处理能力。

CPU、内存与硬盘关系图：