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问题
硬件操作系统构成是怎么样的？
从编写高级语言代码，到正式执行经过了哪些流程？
CPU 和 GPU 的分工是怎么样的？
平时电脑卡顿有哪些可能的原因？
内存越大，电脑执行速度就一定越快吗？
固态硬盘为什么比机械盘速度快？
苹果M1芯片做了哪些优化？
arm64 / x86 架构是如何设计的？
32位和64位操作系统有什么区别？如何实现兼容？操作系统的位数对我们平时开发流程有什么影响？
显卡和内存有什么关系？
微机是如何读取二进制的？我输入一串00010101010101000101，计算机是怎么知道什么含义的？
二进制和汇编有什么关系？为什么汇编可以翻译成二进制？
微机系统里如果有GPU，那么运行的流程是什么样的？深度学习中使用GPU做并发运算，流程是什么样的？
iOS 的卡顿掉帧和CPU、GPU是什么关系，可以怎么优化？
微机中的总线是什么东西？怎么实现数据传输的？用电信号吗？
既然内存条是个好东西，为什么不提供1T的内存条？
一、微处理器结构
汇编语言是直接在硬件之上工作的编程语言，我们首先要了解硬件系统的结构，才能有效地应用汇编语言对其编程。
（一）微型计算机的系统组成
1. 微处理器（CPU）
整个微机的核心是微处理器，它是采用大规模集成电路技术做成的芯片，芯片内包含：
- 控制器
- 运算器
- 寄存器
2. 系统总线
所谓总线，是指传递信息的一组公用信号线。这里的系统总线，是指从 CPU 引出的若干信号线，CPU 通过系统总线与存储器和I/O设备进行信息交换。
总线的作用：将电气信号转换为数字信号
(1)地址总线
传送地址信息的总线称为地址总线，即 AB（Address Bus）。CPU在AB总线上输出将要访问的内存单元或I/O端口的地址，该总线为单向总线。
地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为216＝64KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为220＝1MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。
（2）数据总线
传送数据信息的总线称为数据总线，即 DB（Data Bus）。在CPU进行读操作时，内存或外设的数据通过DB总线送往CPU；在CPU进行写操作时，CPU数据通过DB总线送往内存或外设，该总线为双向总线。
数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。
（3）控制总线
传送控制信息的总线称为 控制总线，即 CB（Control Bus）。其中有些信息线是将CPU的控制信号或状态信号送往外界；有些信号线将外界的请求或联络信号送往CPU；个别信号线兼有以上两种情况。
控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I／O接口电路的，如读／写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。
二、微型计算机系统
（一）8位微处理器结构实例
（二）寄存器和存储器是什么关系？
主要区别就是硬件电路的实现了。
寄存器是静态存储器SRAM，一个存储单元由6个晶体管构成，读写速度是最快的，CPU中的cache、寄存器都是使用SRAM电路，读写速度快，但是成本贵，所以一般容量都不是很大。
跟SRAM相对的，是SDRAM ，一个存储单元由一个晶体管和一个电容组成，价格便宜，因为是使用电容充放电的高低电平表示0和1，因此需要不断刷新。
后来SDRAM技术不断发展，工作电平不断降低，从2.5V降到目前的1.2V，而且是双通道的，有数字电路基础的都知道，每一次时钟周期可以读取一次数据，而Dual Data Rate SDRAM可以在每个时钟周期的上升沿和下降沿分别读取一次数据，因此速度理论上提升了2倍。这就是我们常常看到的DDR内存条，包括后续的DDR2、DDR3、DDR4其实都属于SDRAM。内存一般都是使用SRAM或SDRAM。
而存储器一般称为外存，磁盘、NAND Flash等，这些都属于ROM范畴，跟上面的RAM是不一样的，RAM断电后数据会消失，而ROM存储器的特点是断电后数据不会消失，因此主要用来存储安装的软件、数据文件、电影、图片等。而内存SRAM主要用来存放运行的程序。
-> 所以平时说的磁盘大小指的是外存），内存大小指的是主存
（三）主存、辅存、内存、外存、存储器是什么？
现代计算机硬件由五大部件组成，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
而存储器的存在对于计算机来说起着不可或缺的作用。在CPU的内部，存在着许多的存储器，这些存储器叫做寄存器，用来暂时存放数据或者指令。正是因为有了这些寄存器，CPU才能快速高效地处理计算机中复杂地工作。而与寄存器并称为内部存储器的还有内存。内存也被称为主存，而辅存指的是计算机的外部存储、例如，硬盘、U盘、软盘以及光盘等等。
1. 内存
内存又称主存，是CPU能直接寻址访问的存储空间。在计算机工作的时候，所有的数据都要先经过内存，然后才能交由处理器去处理，内存也被称为，CPU与外存通信的桥梁。它的特点是读写速度快。
内存一般是由半导体器件组成，可分为RAM（随机存储器）、ROM（只读存储器）、Cache（高速缓存）。
（1）RAM（Random Access Memory），随机访问存储器
表示既可以从中读取数据，也可以从中写入数据，但是断电后数据就会消失。我们现在所使用的内存条，其实就是RAM集成块集中在一起的一块小电路板，它插在计算机的内存插槽上。而RAM又分为两种，DRAM（动态随机存储）和SRAM（静态随机存储）。
DRAM
动态随机存储，存储单元是由电容和相关元件组成的，电容存在漏电现象，电荷不足会导致存储单元数据出错，所以DRAM需要周期性刷新，以保持电荷状态。DRAM结构较简单且集成度高，通常用于制造内存条中的存储芯片。
SRAM
静态随机存储，存储单元是由晶体管和相关元件做成的锁存器，每个存储单元具有锁存“0”和“1”信号的功能。它速度快且不需要刷新操作，但集成度差和功耗较大，通常用于制造容量小但效率高的CPU缓存。
（2）ROM（Read Only Memory），只读存储器
在制造ROM的时候，信息（比如数据或者程序）就被永久写入并永久保存。这些信息只能读入，不能写入。即使处于停电状态，这些信息也不会丢失。ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOS芯片。
现在比较流行的只读存储器是闪存( Flash Memory)，它属于 EEPROM(电擦除可编程只读存储器)的升级，可以通过电学原理反复擦写。现在大部分BIOS程序就存储在 FlashROM芯片中。
(3)Cache，高速缓冲存储器
Cache，介于CPU与内存，平时我们经常看到的是，一级缓存(L1 Cache）、二级缓存(L2 Cache）、三级缓存(L3 Cache），它处于CPU与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存储器，当CPU向内存读取或者存入数据时，这些数据也会被存储进Cache中。当CPU再次需要访问这些数据时，CPU就从Cache中读取数据，而不是去访问速度较慢的内存，当然了，如果Cache中没有需要的数据，CPU会去访问内存，读取需要的数据。
原来微机的架构设计里有就3级缓存。。
2. 外存
外存又称为辅存，是指除计算机内存及CPU缓存以外的存储器，此类存储器断电后仍能保存数据。常见的外存有硬盘、光盘、U盘等。我们现在笔记本所使用的SSD固态硬盘，机械硬盘等等就是外部存储器。CPU如果想访问外存中的数据，必须先把外存的数据保存到内存中，CPU再去读取内存中的数据。
（四）CPU和寄存器有什么关系？
寄存器
不知道什么是寄存器？那见过太监没有？大家应该都看过古装戏，那些皇帝们要阅读奏章的时候，大臣总是先将奏章交给皇帝身边的小太监，小太监呢再交给皇帝同志进行处理。这个小太监只是个中转站，并无别的功能。
好，那我们再联想到我们的CPU。CPU不就是我们的皇帝同志么？大臣就相当于我们的内存，数据从他这拿出来。那个小太监就是我们的寄存器了（这里先不考虑CPU的高速缓存区）。数据从内存里拿出来先放到寄存器，然后CPU再从寄存器里读取数据来进行处理，处理完后同样把数据通过寄存器存放到内存里，CPU不直接和内存打交道。这里要说明的一点是：小太监是主动的从大臣手里接过奏章，然后主动的交给皇帝同志，但寄存器可没那么自觉，它从不主动干什么事。一个皇帝可能有好些个小太监，那么一个CPU也可以有很多寄存器，不同型号的CPU拥有的寄存器的数量也不一样。
为啥要这么麻烦呢，速度！就是因为速度。寄存器其实就是一块一块小的存储空间，只不过其存储速度要比内存快得多。近水楼台先得月嘛，它离CPU很近，CPU一伸手就拿到数据了，比在那么大的内存里去寻找某个地址上的数据是不是快多了？那有人问既然它速度那么快，那我们的内存硬盘都改成寄存器得了，我要说的是：你真有钱。
寄存器属于硬件层面，比如需要设置编码器的编码速度，设置CPU的通信速率或者摄像头的曝光等等，这些其实都是通过操作硬件来实现的，需要参考寄存器手册。但是不是只有CPU才有寄存器，好多东西都会有，比如传感器、编码器等等。
（五）8086 是 16位微处理器，这里的16位指的是什么？为什么8086CPU的地址总线是20根？
就是 同时执行 16位的运算。
8086处理器引入了一个重要概念–段。8086处理器的寻址目标是1M大的内存空间，于是它的地址总线扩展到了20位。但是，一个问题摆在了Intel设计人员面前，虽然地址总线宽度是20位的，但是CPU中“算术逻辑运算单元（ALU）”的宽度，即数据总线却只有16位，也就是可直接加以运算的指针长度是16位的。如何填补这个空隙呢？可能的解决方案有多种，例如，可以像一些8位CPU中那样，增设一些20位的指令专用于地址运算和操作，但是那样又会造成CPU内存结构的不均匀。又例如，当时的PDP－11小型机也是16位的，但是其内存管理单元（MMU）可以将16位的地址映射到24位的地址空间。受此启发，Intel设计了一种在当时看来不失为巧妙的方法，即分段的方法。
为了支持分段，Intel在8086 CPU中设置了四个段寄存器：CS、DS、SS和ES，分别用于可执行代码段、数据段、堆栈段及其他段。每个段寄存器都是16位的，对应于地址总线中的高16位。每条“访内”指令中的内部地址也都是16位的，但是在送上地址总线之前，CPU内部自动地把它与某个段寄存器中的内容相加。因为段寄存器中的内容对应于20位地址总线中的高16位（就是把段寄存器左移4位），所以相加时实际上是内存总线中的高12位与段寄存器中的16位相加，而低4位保留不变，这样就形成一个20位的实际地址，也就实现了从16位内存地址到20位实际地址的转换，或者叫“映射”。段式内存管理带来了显而易见的优势，程序的地址不再需要硬编码了，调试错误也更容易定位了，更可贵的是支持更大的内存地址。程序员开始获得了自由。
技术的发展不会就此止步。intel的80286处理器于1982年问世了，它的地址总线位数增加到了24位，因此可以访问到16M的内存空间。更重要的是从此开始引进了一个全新理念–保护模式。这种模式下内存段的访问受到了限制。访问内存时不能直接从段寄存器中获得段的起始地址了，而需要经过额外转换和检查。为了和过去兼容，80286内存寻址可以有两种方式，一种是先进的保护模式，另一种是老式的8086方式，被成为实模式。系统启动时处理器处于实模式，只能访问1M空间，经过处理可进入保护模式，访问空间扩大到16M，但是要想从保护模式返回到实模式，你只有重新启动机器。还有一个致命的缺陷是80286虽然扩大了访问空间，但是每个段的大小还是64k，程序规模仍受到限制。因此这个先天低能儿注定寿命不会很久。很快它就被天资卓越的兄弟–80386代替了。
80386是一个32位的CPU，也就是它的ALU数据总线是32位的，同时它的地址总线与数据总线宽度一致，也是32位，因此，其寻址能力达到4GB。对于内存来说，似乎是足够了。从理论上说，当数据总线与地址总线宽度一致时，其CPU结构应该简洁明了。但是，80386无法做到这一点。作为X86产品系列的一员，80386必须维持那些段寄存器的存在，还必须支持实模式，同时又要能支持保护模式，这给Intel的设计人员带来很大的挑战。Intel选择了在段寄存器的基础上构筑保护模式，并且保留段寄存器16位。在保护模式下,它的段范围不再受限于64K，可以达到4G。这一下真正解放了软件工程师,他们不必再费尽心思去压缩程序规模，软件功能也因此迅速提升。
从8086的16位到80386的32位处理器，这看起来是处理器位数的变化，但实质上是处理器体系结构的变化，从寻址方式上说，就是从“实模式”到“保护模式”的变化。从80386以后，Intel的CPU经历了80486、Pentium、PentiumII、PentiumIII等型号，虽然它们在速度上提高了好几个数量级，功能上也有不少改进，但基本上属于同一种系统结构的改进与加强，而无本质的变化，所以我们把80386以后的处理器统称为IA32（32 Bit Intel Architecture）。
（六）为什么换了固态硬盘电脑会快？详解硬盘与内存的关系
source：https://zhuanlan.zhihu.com/p/39567224
前言：
不少人说电脑卡顿，我的推荐都是换个固态，把系统安装到固态里就不卡了，很多人不信啊，觉得换个硬盘电脑就能变快了？这么神奇么，所以今天我们就来详细了解一下，为什么换了固态硬盘系统会变快，以及把软件放到固态和机械里有啥区别。
声明：
此文面向用户为小白，不是那些研究很久的大佬，所以文章的内容为了更好理解，我会用一些例子来说明，有可能与真实情况不符，但是目的只是用于理解，希望业内大佬不要评论区开撕。
正文部分：
首先我们需要先梳理一下内存与硬盘的关系，这里的内存和手机的有很大的区别，所以从这里开始你需要把对于手机内存认知的那一套全部抛到脑后，否则你会被干扰。
####【人类的思考】
我们的大脑需要思考某件事，就需要把这件事从记忆里提取到思维里，然后我们的大脑针对思维里的数据去运算，也就是说，思维是我们的大脑临时存储数据的地方，记忆是我们长期储存数据的地方。
####【电脑的运算】
我们的电脑需要运算某软件，就需要把这个软件从电脑的记忆，提取到电脑的思维，然后芯片对电脑的思维去运算，这里的电脑的记忆就是我们常说的硬盘，电脑的思维就是我们所说的内存。这里的内存又叫运行内存。
上面那个例子还不明白那我就再举个例子，你吃饭需要把菜从锅里夹到碗里，然后你再对你的碗里的饭执行“吃”这个操作。电脑一样的，你吃饭这个动作=电脑运算数据，菜=数据，锅就是硬盘，你的碗就是内存，你吃饭需要夹菜到碗里，电脑算数据需要把数据从硬盘拷贝到内存里。
相信通过上面两个例子你应该明白了CPU，内存，硬盘的关系了。那么这里你应该就能推测出来：
- 内存容量的大小直接决定了你能同时开多少/多大的软件。
- 硬盘容量的大小直接决定了你可以存放多少/多大的数据。
【为什么换了固态会流畅？】
一句话：提升了内存读取硬盘的速度。
举个例子，你打开一个QQ，这时候你的鼠标变成了沙漏或者圆圈，过了几秒QQ打开了。这里电脑里完成的操作就是把CPU需要的QQ数据从硬盘里拷贝到内存里，然后CPU针对内存里的QQ运算，当拷贝这个过程完成了，CPU才能开始算数，你这软件才被标记为“已打开”。
同样的你玩游戏的时候过图或者加载的时候那个loading界面，电脑执行的操作就是把硬盘的数据拷贝到内存，因为CPU直接连接的是内存，CPU只能针对内存的数据去处理，所以加载地图的时候硬盘就会把地图这个数据打包传递给内存，当数据传输完成，地图也就读取完成了，这时候loading过程结束。
CPU与内存之间的带宽是非常快的，随便一个内存都是30GB/S，所以CPU到内存这个来回通路不存在速度瓶颈，但是传统机械硬盘连续读写速度只有200MB/S，远远低于内存速度。
假如硬盘不能及时把数据传输给内存，那么CPU只能空闲等着，比如你打开QQ，系统花了1分钟把QQ从硬盘传递给内存，那么在你看来很直接的感受就是卡，你也许会觉得是电脑性能不够了，实际上是硬盘传递给内存这部分花费了大量时间。就好像你忘记了某个公式，你就是再聪明，你也算不出来对应的数学题。电脑性能再强，数据不能及时传递给他运算，他也只能歇菜，Linus白嫖王说过，硬盘几乎是目前电脑里最慢的部分，所以你感受到的卡顿绝大多数是硬盘的锅。
换了硬盘后内存到硬盘之间这条通路的瓶颈就解决掉了，所以你的电脑就会如丝般顺滑。所以换固态解决的问题在这里。
三、8086/8088 微处理器
Tips:这里的”指令队列缓冲器”，类似我们业务里写的下载队列管理
Tips:地址加法器将逻辑地址转成物理地址的方式也非常精彩，可以用16位的寄存器（数据）访问20位的地址寻址。
