硬體運作的基本機制（資料處理流程）

本次筆記學習目標：了解 CPU 如何處理指令，記憶體如何儲存資料

簡單來說，CPU 會從 Cache 也就是較上層的記憶體取得資料

圖片來源：Introduction to Memory

再用複習一次這張圖，其中Register 跟Cache 會很常被提到，因為他們離 CPU 最近，通常從這兩個地方取得。

Memory 與 Storage：它們有什麼不同？

大家常常聽到「記憶體」和「儲存裝置」，但這兩個東西到底有什麼不同？其實，它們的差別很明顯：

Memory（記憶體）　

• 記憶體的工作像是一個臨時的工作台，用來暫時存放正在運行的資料或程式。它速度快，但斷電後資料就會消失，屬於 揮發性記憶體。
• 常見的記憶體種類：
• • SRAM（靜態記憶體）：速度超快，用於 CPU 的快取記憶體（Cache），但造價昂貴。
  • DRAM（動態記憶體）：用於一般的主記憶體（RAM），比 SRAM 慢但便宜。
  • RAM（隨機存取記憶體）：一般用來指 DRAM，電腦執行中的程式和資料都放在這裡。
  • ROM（唯讀記憶體）：儲存固化的資料，例如電腦開機的基本指令（BIOS）。它是非揮發性記憶體，斷電後資料不會消失。

Storage（儲存裝置）

• 儲存裝置像是一個大型倉庫，用來長期保存檔案、應用程式、作業系統等。它屬於 非揮發性記憶體，即使斷電，資料仍然存在。
• 常見的儲存裝置：
• • 硬碟（HDD）：磁碟式儲存，容量大但讀寫速度相對慢。
  • 固態硬碟（SSD）：速度比 HDD 快很多，沒有機械結構，更耐用。
  • USB 隨身碟 / 記憶卡：便攜式儲存裝置，用於短期資料存取。

兩者的區別

• 記憶體（Memory）：執行程式用的暫存空間，速度快但容量小。
• 儲存裝置（Storage）：用來長期保存資料，速度慢但容量大。
  舉個例子，當你開啟一個應用程式時，它會從 儲存裝置 載入到 記憶體，讓 CPU 可以快速讀取來執行。

Memory 和 Storage 的關係圖。

10+ Key Memory & Storage Systems: Crash Course System Design #5

CPU 的 Fetch-Decode-Execute Cycle（取指令-解碼-執行循環）

CPU 就像電腦的大腦，所有運算都由它來執行，而它的工作原理可以簡化為三個步驟：

1. Fetch（取指令）
   CPU 從記憶體（RAM）中取出要執行的指令。這些指令以電壓的形式存在，0 表示低電壓，1 表示高電壓，組成機器語言的指令。舉例：CPU 發出訊號，要求記憶體提供下一條指令，像是「開啟一個檔案」。
2. Decode（解碼）
   CPU 解讀剛取出的指令，判斷需要做什麼工作。指令會被拆解成小步驟，例如運算或資料移動。舉例：解讀出指令是「從磁碟讀取檔案到記憶體」。
3. Execute（執行）
   CPU 執行剛解碼的指令，可能是進行數學運算、移動資料，或者與其他硬體互動。舉例：CPU 執行「將檔案從磁碟載入到記憶體」的指令，這裡可能涉及 I/O 裝置的操作。

這個過程就像一個永不停歇的循環，CPU 會不斷從記憶體中取指令、解碼、執行，直到所有指令完成。

參考影片：（待補充細節圖片給讀者）

The Fetch-Execute Cycle: What's Your Computer Actually Doing?

小總結

1. 記憶體和儲存裝置各有用途，記憶體速度快但只能暫時存資料，儲存裝置負責長期保存。
2. CPU 的取指-解碼-執行循環讓它能高效地執行程式。