简述CPU，内存，硬盘，指令之间的关系

几年前记录在云笔记上的东西，整理过来。

1、基础介绍

CPU：中央处理器(Central Processing Unit)，是用来表示计算机内部元件功能的术语，CPU内部由数百万至数亿个晶体管构成。

在程序运行时，CPU负责解析和运行程序内容。

从功能方面来看，CPU内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部分构成，各部分之间由电流信号相互连通。寄存器可以用来暂存指令、数据等处理对象；控制器负责把内存中的指令和数据读入寄存器，并且根据指令的执行结果来控制整个计算机；运算器负责运算从内存读入寄存器的数据；时钟负责发出CPU开始计时的时钟信号。

内存：内存实际上是一种名为内存IC（Integrated Circuit）的电子元件。内存IC中有电源、地址信号、数据信号、控制信号等用于输入输出的大量引脚（IC的引脚），通过为其指定地址，来进行数据的读写。
硬盘：硬盘是计算机主要的存储媒介之一，由一个或多个铝制或者玻璃制的碟片组成，瓷片外覆盖有铁磁性材料。
指令：即计算机指令，是指挥机器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计算机的工作过程。计算机程序由指令和数据组成。

2、相互关系

内存和CPU的关系：通常所说的内存指的是计算机的主存储器（main memory ）,简称主存。主存通过控制芯片等与CPU相连，主要负责存储指令和数据。CPU通过内部程序计数器来指定内存地址，然后才能读出程序。
内存和硬盘的关系：内存和硬盘都具有存储命令和数据的功能，在硬盘中保存的原始程序是无法直接运行的，必须要加载到内存后才能运行。
指令和硬盘的关系：指令作为程序的组成部分，存储在硬盘上对应的可执行文件中。
指令和内存的关系：程序运行时，会在内存中生成程序副本，指令被加载进内存。
指令和CPU的关系：CPU的控制器将内存中的指令读入CPU的寄存器中。

3、通过Windows环境中HelloWord程序来理解CPU、内存、硬盘、指令之间的关系

首先，程序员利用计算机高级语言编写了helloword程序，称为源代码，存放源代码的文件称为源文件；

其次，通过编译器转换源代码，生成本地文件（helloword.obj文件，即目标文件，此时的本地文件尚不能被运行，还需通过第三步转换成可执行文件）；

然后，通过链接器的链接操作，将第二步生成的本地文件通过链接生成可执行的helloword.exe文件，EXE文件作为单独文件存储在硬盘上，称为本地代码（如图8-4，本地代码是数值的罗列，每个数值表示一个命令或数据，CPU种类不同，本地代码的类型也不同）。

然后，当用户双击EXE文件时，计算机就会把EXE文件的内容加载到内存中运行。

程序被加载到内存后，还会额外生成两个组，即栈和堆。栈是用来存储函数内部临时使用的变量（局部变量），以及函数调用时所用的参数的内存区域。堆是用来存储程序运行时的任意数据及对象的内存区域。栈和堆需要的内存空间是在EXE文件加载到内存后并且程序开始运行时得到分配的。

内存中的程序是由用于变量的内存空间、用于函数的内存空间、用于栈的内存空间、用于堆的内存空间这4部分够成的。

最后，程序运行过程中，CPU中的控制器会将内存中的程序指令和数据读入CPU的寄存器，运算器对寄存器中的数据进行运算，控制器根据运算器的运算结果控制计算机的下一步操作。

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