組件

計算機是一種數據處理設備，它由CPU和內存以及外部設備組成。CPU負責數據處理，內存負責存儲，外部設備負責數據的輸入和輸出，它們之間通過總線連接在一起。CPU內部主要由控制器、運算器和寄存器組成。控制器負責指令的讀取和調度，運算器負責指令的運算執行，寄存器負責數據的存儲，它們之間通過CPU內的總線連接在一起。每個外部設備（例如：顯示器、硬盤、鍵盤、鼠標、網卡等等）則是由外設控制器、I/O端口、和輸入輸出硬件組成。外設控制器負責設備的控制和操作，I/O端口負責數據的臨時存儲，輸入輸出硬件則負責具體的輸入輸出，它們間也通過外部設備內的總線連接在一起。

組件化的硬件體系

上面的計算機系統結構圖中我們可以看出 硬件系統的這種組件化的設計思路總是貫徹到各個環節。在這套設計思想（馮。諾依曼體系架構）里面，總是有一部分負責控制、一部分負責執行、一部分則負責存儲，它之間進行交互以及接口通信則總是通過總線來完成。這種設計思路一樣的可以應用在我們的軟件設計體系里面：組件和組件之間通信通過事件的方式來進行解耦處理，而一個組件內部同樣也需要明確好各個部分的職責（一部分負責調度控制、一部分負責執行實現、一部分負責數據存儲）。

緩存

一個完整的CPU系統里面有控制部件、運算部件還有寄存器部件。中寄存器部件的作用就是進行數據的臨時存儲。既然有內存作為數據存儲的場所，那么為什么還要有寄存器呢？答案就是速度和成本。我們知道CPU的運算速度是非常快的，如果把運算的數據都放到內存里面的話那將大大降低整個系統的性能。解決的辦法是在CPU內部開辟一小塊臨時存儲區域，并在進行運算時先將數據從內存復制到這一小塊臨時存儲區域中，運算時就在這一小快臨時存儲區域內進行。我們稱這一小塊臨時存儲區域為寄存器。因為寄存器和運算器以及控制器是非常緊密的聯系在一起的，它們的頻率一致，所以運算時就不會因為數據的來回傳輸以及各設備之間的頻率差異導致系統性能的整體下降。你可能又會問為什么不把整個內存都集成進CPU中去呢？答案其實還是成本問題！

因為CPU速度很快，相應的寄存器也需要存取很快，二者速度上要匹配，所以這些寄存器的制作難度大，選材精，而且是集成到芯片內部，所價格高。而內存的成本則相對低廉，而且從工藝上來說，我們不可能在CPU內部集成大量的存儲單元。

運算的問題通過寄存器解決了，但是還存在一個問題：我們知道程序在運行時是要將所有可執行的二進制指令代碼都裝載到內存里面去，CPU每執行一條指令前都需要從內存中將指令讀取到CPU內并執行。如果按這樣每次都從內存讀取一條指令來依次執行的話，那還是存在著CPU和內存之間的處理瓶頸問題，從而造成整體性能的下降。這個問題怎么解決呢？答案就是高速緩存。其實在CPU內部不僅有為解決運算問題而設計的寄存器，還集成了一個部分高速緩存存儲區域。高度緩存的制造成本要比寄存器低，但是比內存的制造成本高，容量要比寄存器大，但是比內存的容量小很多。雖然沒有寄存器和運算器之間的距離那么緊密，但是要比內存到運算器之間的距離要近很多。一般情況下CPU內的高速緩存可能只有幾KB或者幾十KB那么大。正是通過高速緩存的引入，當程序在運行時，就可以預先將部分在內存中要執行的指令代碼以及數據復制到高速緩存中去，而CPU則不再每次都從內存中讀取指令而是直接從高速緩存依次讀取指令來執行，從而加快了整體的速度。當然要預讀取哪塊內存區域的指令和數據到緩存上以及怎么去讀取這些工作都交給操作系統去調度完成，這里面的算法和邏輯也非常的復雜，大家可以通過學習操作系統相關的課程去了解，這里就不再展開了。可以看出高速緩存的作用解決了不同速度設備之間的數據傳遞問題。在實際中CPU內部可能不止設有一級高速緩存，有可能會配備兩級到三級的高速緩存，越高級的高速緩存速度越快，容量越低，而越低級的高度緩存則速度越慢，但是容量越大。比如iPhoneX上的搭載的arm處理器A11里面除了固有的37個通用寄存器外，L1級緩存的容量是64KB， L2級緩存的容量達到了8M（這么大的二級緩存，都有可能在你的程序代碼少時可以一次性將代碼讀到緩存中去運行）， 沒有配備三級緩存。

存儲的層次結構?

我們知道在軟件設計上有一個所謂的空間換時間的概念，就是當兩個對象之間進行交互時因為二者處理速度并不一致時，我們就需要引入緩存來解決讀寫不一致的問題。比如文件讀寫或者socket通信時，因為IO設備的處理速度很慢，所以在進行文件讀寫以及socket通信時總是要將讀出或者寫入的部分數據先保存到一個緩存中，然后再統一的執行讀出和寫入操作。

可以看出無論是在硬件層面上還是在軟件層面上，當兩個組件之間因為速度問題不能進行同步交互時，就可以借助緩存技術來彌補這種不平衡的狀況

指令中的寄存器

CPU執行的每條指令都由操作碼和操作數組成，簡單理解就是要對誰（操作數）做什么（操作碼）。在CPU內部要運算的數據總是放在寄存器中，而實際的數據則有可能是放在內存或者是IO端口中。因此我們的程序其實大部分時間就是做了如下三件事情：

把內存或者I/O端口的數據讀取到寄存器中

將寄存器中的數據進行運算（運算只能在寄存器中進行）

將寄存器的內容回寫到內存或者I/O端口中

這三件事情都是跟寄存器有關，寄存器就是數據存儲的中轉站，非常的關鍵，因此在CPU所提供的指令中，如果操作數有兩個時至少要有一個是寄存器。

;下面部分是arm64指令示例：

mov x0， #0x100 ;將常數0x100賦值給寄存器x0

mov x1， x0 ;將寄存器x0的值賦值給寄存器x1

ldr x3， ［sp， #0x8］ ;將棧頂加0x8處的內存值賦值給x3寄存器

add x0， x1， x2 ;x0 = x1 + x2 可以看出運算的指令必須放在寄存器中

sub x0， x1， x2 ;r0 = x1 - x2

str x1， ［sp， #0x08］ ;將寄存器x1中的值保存到棧頂加0x8處的內存處。

;下面部分是x64指令示例（AT&T匯編）：

mov $0x100， %rax ;將常數0x100賦值給寄存器rax

mov %rax， %rbx ;將寄存器rax的值賦值給rbx寄存器

movq 8（%rax）， %rbx ;將寄存器rax中的值+8并將所指向內存中的數據賦值給rbx寄存器

所以不要將機器語言或者匯編語言當成是很復雜或者難以理解的語言，如果你仔細觀察一段匯編語言代碼時，你就會發現幾乎大部分代碼都是做的上面的三件事情。我們在高級語言里面看到的只是變量，但是在低級語言里面看到的就是內存地址和寄存器，你可以將內存地址和寄存器也理解為定義的變量，帶著這樣的思路去閱讀匯編代碼時你就會發現其實匯編語言也不是那么的困難。在高級語言中我們可以根據自身的需要定義出很多有特殊意義的變量，但是低級語言中因為寄存器就那么幾個，它必須要被復用和重復使用，因此匯編語言中就會出現大量的將寄存器的內容保存到內存中的指令代碼以及從內存中讀取到寄存器中的指令代碼。這些代碼中有很多都有共性，只要在你實踐中多去閱讀，然后適應一下就很快能夠很高興的去看匯編代碼了，熟能生巧嗎。