我看了面经和个人经历发现大厂面试到计算机基础知识这一块内存，硬盘，cpu这一块比较多，比如内存的分段，分页原理等等。所以这一块也是给大家讲这方面的知识。好了话不多说进入主题吧！！这篇是参考《计算机组成与结构》
一个 完整 的 计算机 系统 由 硬件 和 软件 两大 部分 组成。 硬件 是指 看得见、 摸 得 着 的 物理 设备， 包括 运算器、 控制器、 存储器、 输入 设备 和 输出 设备 等，如下图所示。
计算机 系统 各 硬件 设备 是 如何 协同 工作 的 呢？ 无论是 进行 复杂 数据 计算 还是 进行 大 范围 数据 查询， 或者 实现 一个 自动控制 过程， 整个 系统 都 必须 按 步骤 来 处理。 首先， 必须 使用 编程 语言 事先 编写 源程序。 源程序 是 不 能被 计算机 直接 执行 的， 计算机 只 执行 机器 指令。 指令。 每一 条 指令 规定了 计算机 从 哪里 获取 数据， 进行 何种 操作， 以及 操作 结果 送到 什么地方 去 等 步骤。 因此， 在 运行 程序 之前， 必须 把 源程序 转换 为 指令 序列， 并将 这些 指令 序列 按 一定 顺序 存放 在 存储器 的 各个 地址 单元 中。 在 运行 程序 时， 控制器 先 从 存储器 中 取出 第 1 条 指令， 并 根据 这条 指令 的 含义 发出 相应 的 操作 命令， 以 执行 该 指令。 如果 需要 从 存储器 中 取出 操作 数（ 例如 执行 一条 加法 指令）， 则 先 从 存储 单元 中 读取 操作 数， 送入 运算器， 再由 运算器 进行 指定 的 算术 运算 和 逻辑 操作 等 加工， 最后 把 运算 结果 送回 存储器 中。 接下来， 读取 后续 指令， 在 控制器 的 指挥 下 完成 规定 操作， 依此 进行 下去， 直到 遇到 停止 指令。 在 程序 的 执行 过程中， 如果 需要 输入 数据 或 输出 运行 结果， 则在 控制器 的 控制下 通过 输入 设备 所 输入 的 数据 将 输入 并 保存 到 存储器 中， 或者 通过 输出 设备 将 程序 的 运行 结果 输出。
冯· 诺 依 曼 计算机 根据 功能， 把 硬件 划分 为 运算器、 控制器、 存储器、 输入 设备 和 输出 设备 共 五大 部件。 但 随着 计算机 技术 的 发展， 计算机 硬件 系统 的 组成 已发 生 许多 重大 变化， 例如， 将 运算器 和 控制器 组合 为 一个 整体， 称为 CPU（ Central Processing Unit， 中央 处理器， 在 大中型 计算 机中 又叫 中央 处理机）。
1、CPU
微型机 的 CPU， 又称 微 处理器， 它是 整个 微型机 系统 的 核心， 其外 观 如下图所示。 CPU 品质 的 高低 直接 决定了 一个 计算机 系统 的 档次。 反映 CPU 品质 的 最重要的 指标 是 主 频 与 字长。 主 频 是指 CPU 的 时钟 频率， 单位 通常 是 MHz（ 兆赫兹）。 主 频 越高， CPU 的 运算 速度 就 越快。 人们 通常 说 Intel Core i7 2600K- 3. 4GHz， 就 是指 该 CPU 的 时钟 频率 为 3. 4 吉 赫兹。
CPU 的 内部 通常 由 运算 部件（ ALU）、 寄存器 组、 控制器（ EU） 等 部件 组成， 如下图所示。 这些 部件 通过 CPU 内部 的 总线 相互 交换 信息。 CPU 的 主要 功能 包括 两个 方面： 一是 完成 算术 运算（ 包括 定点 数 运算、 浮点 数 运算） 和 逻辑 运算， 二 是 读取、 分析 和 执行 指令。
CPU 的 运算 部件（ ALU） 负责 数据 的 加工 处理， 即对 来自 内存 的 数据 进行 算术 运算 和 逻辑 运算 处理， 以 实现 指令 所 规定 的 功能。控制器（ EU） 负责 指令 的 读取、 分析 和 执行， 产生 与 指令 相关 的 操作 信号， 并把 各 操作 信号 按 顺序（ 称为 微 命令 序列） 送往 相应 的 部件， 从而 控制 这些 部件 按 指令 的 要求 执行 动作， 包括 收集 各 部件 的 状态 信息。
2、主 存储器
存储器 的 种类 很多， 按其 用途 可分 为主 存储器 和 辅助 存储器（ 也称 为 内 存储器 和 外 存储器）。 内存 一般 采用 半导体 存储 器件 构成 存储 单元。 因为 RAM 是 内存 中 最重要的 存储器， 所以 通常 我们 直接 称之为 内存。 内存 就是 存储 欲 运行 的 程序 和 数据 的 地方。 如在 使用 WPS 处理 文稿 时， 当你 在 键盘 上 敲入 字符 时， 所 输入 的 字符 就被 存入 内存 中； 当你 要把 内存 的 信息 进行 保存 时， 内存 中的 数据 才会 被 存入 磁盘（ 如 硬盘 或 U 盘）。 RAM 既可以 从中 读取 数据， 也可以 写入 数据。 当机 器 电源 关闭 时， 存于 RAM 的 数据 就会 丢失。 我们 通常 购买 或 升级 的 内存 条 就 用作 计算机 的 内存。 内存 条 就是 将 若干 RAM 集成 块 集中 在一起 的 一 小块 电路板。 它 插在 计算机 中的 内存 插槽 上， 以 减少 RAM 集成 块 占用 的 空间。 目前 市 场上 单 根 内存 条 的 容量 有 512 MB、 1 GB、 2 GB、 4 GB 等。 通常， 一般 计算机 系统 使用 的 随机 存取 内存（ RAM） 可分 为 动态 随机 存取 内存（ DRAM） 与 静态 随机 存取 内存（ SRAM） 两种。 这 两种 RAM 的 差异 在于， DRAM 需要 由 存储器 控制 电路 按 一定 周期 对 存储器 刷新， 才能 维系 数据 保存； SRAM 的 数据 则 不需要 刷新 过程， 在上 电 期间， 数据 不会 丢失。 对于 在 指定 功能 或 应用 软件 之间 共享 的 存储器 来说， 如果 一个 或 两个 应用 软件占用 了 所有 存储器 空间， 此时 将 无法 为 其他 应用 软件 分配 存储器 空间。 例如， 日历、 短 信息 和 电 话簿（ 或 通信 录） 可能 会 共享 移动 设备 中的 动态 存储器。 动态 存储器 一般 采用 超 大 容量 的 存储 技术， 但是， 其 存储 组件 要求 由 控制器 控制 其 刷新 周期。 它与 静态 存储器 等 其他 存储 技术 相比， 耗电量 相对 较高。 与其 他 类型 的 存储器 相比， 动态 存储器 的 优点 是 每 GB 的 价格 最低。
2.1 按 存储器 的 功能 划分
（1） 主 存储器：主 存储器 是 CPU 能 编程 访问 的 存储器， 它 存放 当前 CPU 正在 执行 和 欲 执行 的 程序 和 需要 处理 的 数据。 主 存储器 与 CPU 共同 组成 计算机 的 主机 系统， 因为 通常 安装 在 主机 箱 之中， 故 又称 内 存储器， 简称 主 存 或 内存。
（2） 辅助 存储器：由于 主 存储器 容量 有限（ 主要 受 地址 线 位数、 成本 和 存取 速度 等 因素 制约）， 在 计算机 系统 中 通过 配置 更大 容量 的 磁盘、 光盘 和 U 盘 等 存储器， 作为 对 主 存储器 容量 不足 的 补充 和 后援。 这些 存储器 就 统称 为 辅助 存储器。 因为 它 位于 主机 的 逻辑 范畴 之外， 故 又称为 外 存储器， 简称 为辅 存 或 外存。 外存 包括 软盘、 硬盘、 磁带、 光盘、 U 盘 等。
（3） 高速 缓存（ Cache）：CPU 与 主 存储器 之间 存在 巨大 的 速度 差异， 使得 CPU 发出 访问 主 存储器 的 请求 后， 可能 需要 等待 多个 时钟 周期 才能 读取 存储器 的 内容。 为了 解决 速度 匹配 问题， 可以 在 CPU 中 设置 高速 缓存（ Cache）。 Cache 的 速度 基本上 接近 CPU 的 工作 速度， 专门 存放 CPU 即将 使用 的 部分 程序 和 数据， 这些 程序 和 数据 是 主 存 中正 在 运行 或 处理 的 程序 和 数据 的 副本。
当 CPU 访问 主 存 时， 同时 访问 Cache 和 主 存。 通过 对 地址 码 的 分析， 可以 判断 所 访问 物理 地址 区间 的 内容 是否 已 复制 在 Cache 中。 如果 所要 访问 的 内容 已经 复制 在 Cache 中（ 称为 Cache 命中）， 则 直接 从 Cache 中 快速 地 读取； 如果 没有 在 Cache 中 找到 所需 的 程序 和 数据， 称为 Cache 不 命中； 否则， 从 主 存 中 读取。
2.2 存储 系统 的 层次 结构
如下图所示 的 是一 个 非常 典型的 三级 存储 体系 结构， 分为 高速 缓冲 存储器（ Cache）、 主 存储器、 外 存储器 3 个 层次。 在这 种 分层 存储 体系 结构 中， 对于 CPU 直接 访问 的 存储器， 其 速度 尽可能 快， 而 容量 相对 有限； 作为 后援 的 一级， 则 容量 要 大， 而 其 速度 就可能 慢 些。 这样 的 合理 搭配， 对 用户 来讲， 整个 存储器 系统 既可 提供 大 容量 的 存储 空间， 又可 有 较快 的 存取 速度。
目前， 计算机 存储 技术 还在 不断 飞速 发展中， 主要 呈现 如下 特征，如下图
• 存储器 每位 的 价格 逐渐 降低；
• 存储容量 逐渐 增大；
• 存取 速度 加快。
2.3 主 存储器（内存）
ps: 关于硬件这块我不打算介绍硬件的部分，我们程序员主要关注的是软件部分的，例如cpu怎么和内存打交道，内存的分页机制等
内存有两个比较重要的概念，逻辑地址和物理地址
2.3.1 内存地址:
内存的地址分为逻辑地址和 物理地址
逻辑地址：CPU所生成的地址。逻辑地址是内部和编程使用的、并不唯一。例如，你在进行C语言指针编程中，可以读取指针变量本身值(&操作)，实际上这个值就是逻辑地址，它是相对于你当前进程数据段的地址（偏移地址），不和绝对物理地址相干。
物理地址：加载到内存地址寄存器中的地址，内存单元的真正地址。
内存 的 分配 管理 方式 有 分区式， 分页 式、 分 段式 和 段 页 式 等，
2.3.2 分区管理
1、静态重定位是在程序执行之前进行重定位，它根据装配模块将要装入的内存起始位置，直接修改装配模块中的有关使用地址的指令。
例如，MOV AC，[500]
静态重定位有着无需硬件支持的优点，但存在着如下的缺点：一是程序重定位之后就不能在内存中搬动了；二是要求程序的存储空间是连续的，不能把程序放在若干个不连续的区域内。
2、动态重定位是指，不是在程序执行之前而是在程序执行过程中进行地址重定位。更确切地说，是在CPU每次访问内存单元前才进行地址变换。需硬件支持。优点是：（1）程序占用的内存空间动态可变，不必连续存放在一处。（2）比较容易实现几个进程对同一程序副本的共享使用。
缺点是：需要附加的硬件支持，增加了机器成本，而且实现存储管理的软件算法比较复杂。
现在一般计算机系统中都采用动态重定位方法。
对于分区管理我们只需要知道，数据按照固定的连续区域装载到内存当中去。如果数据太大了，内存装不下这么多了，那要怎么办呢？
分页式和分段式（网上看到这个例子觉得比喻的很好，地址：https://www.cnblogs.com/jinhengyu/p/10257816.html）
打个比方，比如说你去听课，带了一个纸质笔记本做笔记。笔记本有100张纸，课程有语文、数学、英语三门，对于这个笔记本的使用，为了便于以后复习方便，你可以有两种选择。
第一种是，你从本子的第一张纸开始用，并且事先在本子上做划分：第2张到第30张纸记语文笔记，第31到60张纸记数学笔记，第61到100张纸记英语笔记，最后在第一张纸做个列表，记录着三门笔记各自的范围。这就是分段管理，第一张纸叫段表。
第二种是，你从第二张纸开始做笔记，各种课的笔记是连在一起的：第2张纸是数学，第3张是语文，第4张英语……最后呢，你在第一张纸做了一个目录，记录着语文笔记在第3、7、14、15张纸……，数学笔记在第2、6、8、9、11……，英语笔记在第4、5、12……。这就是分页管理，第一张纸叫页表。你要复习哪一门课，就到页表里查寻相关的纸的编号，然后翻到那一页去复习
两者的优缺点：在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干段（segment），如代码段，数据段，堆栈段；这样每个进程有一个二维地址空间，相互独立，互不干扰。段式管理的优点是：没有内碎片（因为段大小可变，改变段大小来消除内碎片）。但段换入换出时，会产生外碎片（比如4k的段换5k的段，会产生1k的外碎片） 在页式存储管理中，将程序的逻辑地址划分为固定大小的页（page），而物理内存划分为同样大小的页框，程序加载时，可以将任意一页放入内存中任意一个页框，这些页框不必连续，从而实现了离散分离。页式存储管理的优点是：没有外碎片（因为页的大小固定），但会产生内碎片（一个页可能填充不满）
两者的不同点：(1) 分页仅仅是由于系统管理的需要而不是用户的需要。段则是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了能更好地满足用户的需要。
(2) 页的大小固定且由系统决定，由系统把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，是由机器硬件实现的，因而在系统中只能有一种大小的页面；而段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序，通常由编译程序在对源程序进行编译时，根据信息的性质来划分。
(3) 分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性地址空间，程序员只需利用一个记忆符，即可表示一个地址；而分段的作业地址空间则是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。
2.3.3 分页
页 式 虚拟 存储器 首先 将 虚拟 存储器 空间 与 内存 空间 都 划分 为 若干 大小 相同 的 页， 虚拟 存储 空 间的 页 称为 虚 页， 内存 的 页 称为 实 页。 通常 页 的 大小 为 512 B、 1 KB、 2 KB、 4 KB 等。 注意， 页 不能 分得 太大， 否则 会 影响 换进 换出 的 速度， 从而 导致 CPU 的 运行 速度 减慢。 因此， 一般 操作系统 中， 取 最大 页 为 4 KB， UNIX 操作系统 的 页 为 512 B。
2.3.4 段式管理
在 段式 虚拟 存储器 中， 将 用户 程序 按其 逻辑 结构 划分 为 若干 段（ 例如 程序 段、 数据 段， 主 程序 段、 子程序 段 等）， 各 段 大小 不同。 相应 地， 段式 虚拟 存储器 也 随 程序 的 需要 动态 地 分段， 且 将 段 的 起始 地址 与 段 的 长度 填 到 段 表 之中。 编程 时 使 用的 虚 地址 分为 两部分： 高位 是 段 号， 低 位 是 段 内 地址。 例如， Intel 80386 的 段 号为 16 位， 段 内 地址 为 32 位， 可将 整个 虚拟 空间 分为 64K 段， 每 段 的 容量 最大 可达 4 GB， 使 用户 有 足够 大的 选择 余地。
2.3.5 段页存储管理
由于 分页 是 固定 的， 它是 面向 存储器 本身 的， 计算机 系统 中 只有 一种 大 小的 页。 程序 装入 内存 的 块（ 页）， 可能 因为 某 一页 装 不满 内存 的 一块 而 剩余 一部分 不能 利用（ 称为“ 页 内 零头”）。 如果 页 内 零头 太多， 就会 影响 内存 的 利用率。 此外， 由于 页 的 划分 不能 反映 程序 的 逻辑 结构， 如果 离散 地 给 程序 分配 内存 空间， 那么 一个 程序（ 包括 数据） 必然 存放 在 不 相连 的 内存 中， 这样 可能 会 给 程序 的 执行、 保护 和 共享 带来 不方便。
段式 虚拟 存储器 是 面向 程序 的 逻辑 结构 分段 的， 一个 在 逻辑上 独立 的 程序 模块 可以 为 一个 段， 这个 段 可大 可 小。 因此， 有利于 对 存储 空间 的 编译 处理、 执行、 共享 与 保护。 由于 段 的 长度 比 页 要 大 很多， 不利于 存储器 的 管理 和 调度。 一方面， 段 内地 址 必须 连续， 因 各 段 的 首、 尾 地址 没有 规律， 地址 计算 比 页 式 存储器 管理 要 复杂。 另一方面， 当 一个 段 执行 完毕 后， 新 调入 的 程序 可能 小于 现在 内存 段 的 大小， 这样 也会 造成 零头。 为此， 把 页 式 存储 管理 和 段式 存储 管理 结合 起来， 就 形 成了 段 页 式 虚拟 存储 管理 方式。 在这 种 方式 中， 先 将 程序 按 逻辑 分为 若干 段， 每个 段 再分 成 相同 大 小的 页， 内存 也 划 分为 与 页 大小 相同 的 块。 在 系统 中 建立 页 表 和 段 表， 分 两级 查表 实现 虚拟 地址 与 物理 地址的 转换。 在 多用户 系统 中， 虚 地址 包括 基 号、 段 号、 段 内 页号、 页 内 地址 等 信息。 其中， 基 号为 用户 标志 号， 用于 区别 每一个 用户。
下图给 出了 段 页 式 虚拟 存储器 地址 转换 示意图。 每 道 程序 有 自己的 段 表， 这些 段 表 的 起始 地址 在 段 表 基址 寄存器 组。 相应 地， 虚 地址 中 每 道 用户 程序 有 自己的 基 号。 根据 它 选取 相应 的 段 表 基址 寄存器， 从中 获得 自己的 段 表 起始 地址。 将 段 表 起始 地址 与 虚 地址 中的 段 号 合成， 得到 访问 段 表 对应 行的 地址。 从 段 表中 取出 该 段 的 页 表 起始 地址， 与 段 内 页号 合并， 形成 访问 页 表 对应 行的 地址。 从 页 表中 取出 实 页号， 与 页 内地 址 拼接， 形成 访问 主 存 单元 的 实 地址。
2.4 虚拟 存储器 的 工作 过程
由于 使用 了 虚拟 存储器 系统， 在 程序 执行 的 任何 一个 时刻， 执行 程序 的 某一 部分 被 存放 在 物理 存储器 中， 其余 部 分则 被 交换 到 磁盘（ 一般 是 硬盘） 上。 当 这个 程序 运行时， 它 还要 连续不断 地 访问 这个 程序 其他 部分 的 代码 和 数据。 若 所 访问 的 代码 和 数据 在 物理 存储器 中， 则 这个 程序 就会 连续不断 地 执行。 若 所 访问 的 代码 和数 据 不在 物理 存储器 中， 此时 操作系统 的 存储器 管理 程序 就必须 给以 干预， 进行 适当 的 控制， 把 访问 的 代码 和数 据 引导 到 物理 存储器 中（ 如果 需要， 这时 还要 把 程序 的 某一 部分 交换 到 磁盘 上， 即 前面 提到 的“ 换进 换出”）。 这样， 这个 应用 程序 就可以 连续不断 地 执行。 在使 用 虚拟 存储器 时， 必须 把 程序 分成 若干 小块（ 也称 为 程序 段 或 页）。 各个 程序 小块 此时 不在 物理 存储器 内， 就 一定 被 交换 到了 磁盘 上。 这样， 操作系统 的 存储器 管理 子系统 对 每一个 程序 小块 进行 跟踪。 通常， 程序 可以 分段， 也可以 分页， 而 分页 的 性能 比 分段 好。 大多数 商用 虚拟 存储器 系统 提供 的 是 请求 分页 虚拟 存储器。“ 请求 分页” 就是 当 需要 访问 这些 页 时， 就把 这些 页 引导 到 物理 存储器 中。 这与 预先 定 好的 页 的 大小 不同， 在 这种 情况下， 虚拟 存储器 系统 预期 需 要的 页 总是 程序 将要 使 用的 页。目前， 能 实现 虚拟 存储 的 有 UNIX、 高 版本 的 Windows 等 操作系统。 早期 的 操作系统（ 如 UNIX、 OS/ 2 等） 也 支持 请求 分页 虚拟 存储 管理。 虚拟 存储器 地址 转换 的 详细 过程 如下图
本章暂时先写到这里，cpu没有比较详细的说明，重点写在了存储器方面，后续会加上硬盘和cache相关的知识点，希望大家能多多包涵。
