1.2 CPU和内存

计算机的核心是中央处理器（CPU）。在个人计算机中，CPU是由微小的硅芯片制成的微处理器。该芯片上刻有数百万个晶体管。晶体管是一种微型数字开关：它控制信号的两种状态，“开”或“关”，即“1”或“0”。微处理器由小于1平方英寸的陶瓷外壳保护，安装在印制电路板（也称为主板）上。主板上还有内存芯片，以及用于连接其他设备的端口（见图1-1）。

图1-1 树莓派3B型单板计算机，放在3.5平方英寸×2.25平方英寸的印制电路板上

计算机存储器是一系列统一的存储单元，这些单元称为“字节”。

1字节保存8位信息。

1位是最小的信息存储单元：“1”或“0”，“真”或“假”，“开”或“关”。

CPU可以按任意顺序访问内存中的字节。这就是计算机内存被称为“随机存取存储器（RAM）”的原因。同样的内存用于存储不同类型的信息：数字、字母、声音、图像、程序等。这些信息，必须以某种方式编码为0和1的序列。

2019年生产的典型个人计算机具有8GB（千兆字节）的RAM。

1 K字节（KB）= 1024字节 = 210字节，大约一千字节。
1 M字节（MB，“兆”）= 1024 K字节 = 220字节= 1,048,576字节，大约一百万字节。
1 G字节（GB，“吉”）= 1024 M字节 = 230字节 = 1,073,741,824字节，大约10亿字节。
1 T字节（TB）= 1024 G字节 = 240字节。
1 P字节（PB）= 1024 T字节 = 250字节。

一页有500～600个单词的文本，没有图片或特殊格式，大约需要3KB的存储空间；一张高分辨率照片可能需要2～3MB的存储空间，而1GB存储空间可以压缩的MP4格式保存数小时的视频。

CPU解释并执行存储在RAM中的指令。CPU获取下一条指令，解释它的操作代码，并执行适当的操作。有些指令用于算术和逻辑运算，有些用于将字节从一个位置复制到另一个位置，还有一些用于改变指令的执行顺序。除非特定指令告诉CPU“跳转”到程序中的另一个位置，否则指令将按顺序执行。“条件分支”指令告诉CPU继续下一条指令或跳转到另一个位置，具体情况取决于前一操作的结果。

以上这些操作都以惊人的速度发生。现代CPU以几GHz的速度运行，每条指令需要一个或几个时钟周期。

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为了更好地了解CPU指令及其执行方式，让我们来看看“汇编语言”，这是一种低级计算机语言。它是你所听过的现代语言的基础，如C++、Java、JavaScript和Python。

图1-2展示了一个非常短的汇编语言程序，用于8088微处理器（在20世纪80年代早期用于最初的IBM PC），其中包含相应指令的十六进制代码（十六进制系统在第6章中解释）和我们的注释。汇编语言代码非常接近实际的机器代码，但它允许你使用名称而不是数字，来表示指令和内存位置。

CPU有几个内置存储器单元，称为寄存器。图1-2中的代码使用的两个寄存器，称为AX和BX。例如，第一条代码（MOV BX, 0000）将0移入BX寄存器。

图1-2 一段8088汇编语言代码

我们将它留给你作为练习（练习题6），请弄清楚这段代码计算的内容。结果存储在BX寄存器中。

计算机代码中的错误称为“缺陷（bug）”，消除程序错误的过程称为“调试（debug）”。

图1-2中的代码是在一个名为debug的程序的帮助下生成的，该程序随MS-DOS操作系统和早期版本的Windows一起提供。调试程序允许程序员以受控方式逐步执行程序，并在每一步检查内存的内容。在程序未按预期工作时，使用调试程序可以帮助发现错误。

第1.2节练习

1．找到一台废弃的台式计算机，确保已拔下电源线，然后取下机箱盖（或在网上查找打开机箱的台式PC的高分辨率图片）。识别主板、CPU和内存芯片，识别计算机的其他组件：电源、硬盘、CD ROM驱动器。

2．计算机内存称为RAM，因为： ✔

（A）它提供对数据的快速访问

（B）它安装在主板上

（C）它以兆字节为单位

（D）它的字节可以按随机顺序寻址

（E）它的芯片安装在矩形阵列中

3．我的旧PC有512MB的RAM和120GB的硬盘，硬盘存储空间是RAM的多少倍？✔

4．可以用2位编码多少个不同的值？3位呢？1字节呢？

5．ASCII码表示在典型的美式键盘上可以找到的英文字母、数字和其他字符的大写和小写字母。每个字符以相同的位数编码。每个字符1字节是否足以表示所有这些字符？每个字符所需的最小位数是多少？ ✔

6．◆在执行图1-2中的程序段后，解释AX和BX寄存器的内容。这段代码计算了什么？ »提示：十六进制的15是十进制的21。« ✔