初探计算机网络之CPU和内存

CPU

​ CPU是一块超大规模的集成电路板，是计算机的核心部件，承载着计算机的主要运算和控制功能，是计算机的最终解释模块和执行模块。总之，用一句话概括就是，CPU是由控制器和运算器组成的，而内部寄存器使这两者协作更为高效。CPU的内部结构如下图所示。

下面对图中的三大组成部分进行简单的讲解。

控制器

​ 控制器是由控制单元、指令译码器、指令寄存器三大部分构成。其中控制单元是CPU的核心，由时序控制和指令控制等组成；指令译码器是在控制单元的协调下完成指令读取、分析并交由运算器执行等操作；指令寄存器是存储指令集，当前流下的指令包括 X86、SSE、MMS 等。控制器类似于我们平常使用代码编译器一样，当输入编译之后的0与1的源码流，通过译码和控制单元对存储设备的数据进行读取，运算完成之后，保存回寄存器或者是内存。

运算器

​ 从图中我们可以得知，运算器的核心是算术逻辑运算单元，即 ALU，能够执行算术运算或逻辑运算等各种指令，运算单元会从寄存器中提取或存储数据。相对于控制单元来讲，运算器是受控的执行部件。我们平时开发的编程语言，如Java、Python等，用到的a+b的算术运算，无论是字节码指令，还是汇编指令，最终的结果是一定以0与1的组合流形式在部件内完成最终计算，并保存到寄存器，最后送出CPU。

寄存器

​ 为了区分，作者在寄存器图上特意标明了CPU的高速缓存L1、L2，缓存容量是组装计算机时必问的两个CPU性能问题之一。缓存结构和大小对于CPU的运行速度影响非常大，毕竟CPU的运行速度远快于内存的读写速度，甚至硬盘。基于执行指令和热点数据的时间局部性和空间局部性，CPU缓存部分指令和数据，以提升性能。但由于CPU内部空间狭小且结构复杂，高速缓存远小于内存空间。

小结

CPU是一个高内聚的模块化组件，对于外部其他硬件设备的时序协调、指令控制、存取动作，都需要通过操作系统进行统一管理和协调。

内存

​ CPU与内存的执行速度有着很大的差距，上图中寄存器里面的L1和L2分别对应着256KB和4MB，它们是CPU和内存之间的缓冲区，但需要注意的是，并非所有的处理器中都存在L3缓存。

​ 内存就是系统资源的代名词，它是其他硬件设备与CPU沟通的桥梁，计算机中的所有程序都在内存中运行，它的容量与性能如果存在瓶颈，即使CPU再快，也是白费功夫。内存的物理结构是由内存芯片、电路板、控制芯片以及相关支持模块等组成。

​ 在Java当中，内存就全权交给了JVM（Java虚拟机）来自动分配和释放，这个过程就是垃圾回收机制。虽然垃圾回收机制能够帮助我们的程序减轻了压力，但是不在代码中加以约束的话，同样也会耗尽内存资源。