计算机结构
现代计算机模型是基于-冯诺依曼计算机模型
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，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
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模型
计算机五大核心组成部分
控制器：是整个计算机的中枢神经，其功能是对程序规定的控制信息进行解释，根据其要求进行控制，调度程序、数据、地址，协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。
运算器：运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算，即对数据进行加工处理。
存储器：存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息，并在需要时提供这些信息。
输入：输入设备是计算机的重要组成部分，输入设备与输出设备合你为外部设备，简称外设，输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。
常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等。
输出：输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分，它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来，微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等。
计算机结构分成以下 5 个部分：
输入设备；输出设备；内存；中央处理器；总线。
内存
在冯诺依曼模型中，程序和数据被存储在一个被称作内存的线性排列存储区域。
存储的数据单位是一个二进制位，英文是 bit，最小的存储单位叫作字节，也就是 8 位，英文是 byte，每一个字节都对应一个内存地址。
内存地址由 0 开始编号，比如第 1 个地址是 0，第 2 个地址是 1， 然后自增排列，最后一个地址是内存中的字节数减 1。
我们通常说的内存都是随机存取器，也就是读取任何一个地址数据的速度是一样的，写入任何一个地址数据的速度也是一样的。
CPU
冯诺依曼模型中 CPU 负责控制和计算，为了方便计算较大的数值，CPU 每次可以计算多个字节的数据。
- 如果 CPU 每次可以计算 4 个 byte，那么我们称作 32 位 CPU；
- 如果 CPU 每次可以计算 8 个 byte，那么我们称作 64 位 CPU。
这里的 32 和 64，称作 CPU 的位宽。
为什么 CPU 要这样设计呢？
因为一个 byte 最大的表示范围就是 0~255。
比如要计算 20000*50，就超出了byte 最大的表示范围了。
因此，CPU 需要支持多个 byte 一起计算，当然，CPU 位数越大，可以计算的数值就越大，但是在现实生活中不一定需要计算这么大的数值，比如说 32 位 CPU 能计算的最大整数是 4294967295，这已经非常大了。
控制单元和逻辑运算单元
CPU 中有一个控制单元专门负责控制 CPU 工作；还有逻辑运算单元专门负责计算。
寄存器
CPU 要进行计算，比如最简单的加和两个数字时，因为 CPU 离内存太远，所以需要一种离自己近的存储来存储将要被计算的数字。
这种存储就是寄存器，寄存器就在 CPU 里，控制单元和逻辑运算单元非常近，因此速度很快。
常见的寄存器种类：
- 通用寄存器，用来存放需要进行运算的数据，比如需要进行加和运算的两个数据。
- 程序计数器，用来存储 CPU 要执行下一条指令所在的内存地址，注意不是存储了下一条要执行的指令，此时指令还在内存中，程序计数器只是存储了下一条指令的地址。
- 指令寄存器，用来存放程序计数器指向的指令，也就是指令本身，指令被执行完成之前，指令都存储在这里。
多级缓存
现代CPU为了提升执行效率，减少CPU与内存的交互(交互影响CPU效率)，一般在CPU上集成了多级缓存架构
CPU缓存即高速缓冲存储器，是位于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器
由于CPU的速度远高于主内存，CPU直接从内存中存取数据要等待一定时间周期，Cache中保存着CPU刚用过或循环使用的一部分数据，当CPU再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用，减少CPU的等待时间，提高了系统的效率，具体包括以下几种：
L1-Cache
L1- 缓存在 CPU 中，相比寄存器，虽然它的位置距离 CPU 核心更远，但造价更低，通常 L1-Cache 大小在几十 Kb 到几百 Kb 不等，读写速度在 2~4 个 CPU 时钟周期。
L2-Cache
L2- 缓存也在 CPU 中，位置比 L1- 缓存距离 CPU 核心更远，它的大小比 L1-Cache 更大，具体大小要看 CPU 型号，有 2M 的，也有更小或者更大的，速度在 10~20 个 CPU 周期。
L3-Cache
L3- 缓存同样在 CPU 中，位置比 L2- 缓存距离 CPU 核心更远，大小通常比 L2-Cache 更大，读写速度在 20~60 个 CPU 周期。
L3 缓存大小也是看型号的，比如 i9 CPU 有 512KB L1 Cache；有 2MB L2 Cache； 有16MB L3 Cache。
当 CPU 需要内存中某个数据的时候，如果寄存器中有这个数据，我们可以直接使用；如果寄存器中没有这个数据，我们就要先查询 L1 缓存；L1 中没有，再查询 L2 缓存；L2 中没有再查询 L3 缓存；L3 中没有，再去内存中拿。
总结：
存储器存储空间大小：内存>L3>L2>L1>寄存器；
存储器速度快慢排序：寄存器>L1>L2>L3>内存；
安全等级
CPU运行安全等级
CPU有4个运行级别，分别为：
- ring0，ring1，ring2，ring3
ring0只给操作系统用，ring3谁都能用。
ring0是指CPU的运行级别，是最高级别，ring1次之，ring2更次之……
系统（内核）的代码运行在最高运行级别ring0上，可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问设备等等。
应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上，不能做受控操作。
如果要做，比如要访问磁盘，写文件，那就要通过执行系统调用（函数），执行系统调用的时候，CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，这样内核就为你完成了设备访问，完成之后再从ring0返回ring3。
这个过程也称作用户态和内核态的切换。
局部性原理
在CPU访问存储设备时，无论是存取数据抑或存取指令，都趋于聚集在一片连续的区域中，这就被称为局部性原理
时间局部性（Temporal Locality）：
如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。
比如循环、递归、方法的反复调用等。
空间局部性（Spatial Locality）：
如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。
比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。
程序的执行过程
程序实际上是一条一条指令，所以程序的运行过程就是把每一条指令一步一步的执行起来，负责执行指令的就是 CPU 了。
那 CPU 执行程序的过程如下：
- 第一步，CPU 读取程序计数器的值，这个值是指令的内存地址，然后 CPU 的控制单元操作地址总线指定需要访问的内存地址，接着通知内存设备准备数据，数据准备好后通过数据总线将指令数据传给 CPU，CPU 收到内存传来的数据后，将这个指令数据存入到指令寄存器。
- 第二步，CPU 分析指令寄存器中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型的指令，就把指令交给逻辑运算单元运算；如果是存储类型的指令，则交由控制单元执行；
- 第三步，CPU 执行完指令后，程序计数器的值自增，表示指向下一条指令。这个自增的大小，由 CPU 的位宽决定，比如 32 位的 CPU，指令是 4 个字节，需要 4 个内存地址存放，因此程序计数器的值会自增 4；
简单总结一下就是，一个程序执行的时候，CPU 会根据程序计数器里的内存地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令。
CPU 从程序计数器读取指令、到执行、再到下一条指令，这个过程会不断循环，直到程序执行结束，这个不断循环的过程被称为 CPU 的指令周期。
总线
CPU 和内存以及其他设备之间，也需要通信，因此我们用一种特殊的设备进行控制，就是总线。
- 地址总线，用于指定 CPU 将要操作的内存地址；
- 数据总线，用于读写内存的数据；
- 控制总线，用于发送和接收信号，比如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后自然进行响应，这时也需要控制总线；
当 CPU 要读写内存数据的时候，一般需要通过两个总线：
- 首先要通过地址总线来指定内存的地址；
- 再通过数据总线来传输数据；
