系统设计入门

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计算机结构

在进入系统设计流程之前，最重要的是要了解计算机的组成模块、它们的重要性以及它们在系统设计中的作用。

组件

磁盘

磁盘是计算机中的主要存储设备。它具有持久性，这意味着无论机器处于何种状态（开机或关机），数据都将被持久保存。大多数现代计算机在磁盘中存储的信息都在TB（兆兆字节）左右。

回顾一下，一个字节由 8 位组成，而比特是计算机中最小的计量单位–二进制计量单位，用0 或 1 表示。一兆位是10 12 个字节，即一万亿字节。USB 驱动器等磁盘存储设备的存储量可能达到GB（千兆字节），即10 9，或十亿字节。

您可能会遇到这样的术语：硬盘（HDD）和固态硬盘（SDD）。硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）都是持久存储设备，后者更受欢迎，速度也更快。不过，它的价格通常要高一些。

硬盘是机械式的，有一个读写头。硬盘使用时间越长，磨损就越大，速度也就越慢。固态硬盘的速度明显更快，因为它们没有活动部件，依靠电子方式读写数据（类似于 RAM）。

内存

随机存取存储器也用于存储信息，但通常比磁盘驱动器小得多。随机存取存储器的大小一般从 1GB 到 128GB 不等，因为随机存取存储器比磁盘空间昂贵得多。这样做的好处是，读写 RAM 的速度明显快于磁盘。例如，向 RAM 中写入 1 MB 的数据可能需要微秒级（百万分之一秒，或1/106 秒），而向磁盘中写入相同数量的数据可能需要毫秒级（千分之一秒，或1/103 秒）”。

注：这些数字只是粗略估计，随着硬件技术的改进可能会发生变化。

RAM 可将打开的应用程序保存在内存中，包括程序分配的任何变量。内存通常被称为易失性内存，这意味着一旦关闭计算机，数据就会被删除。因此，在关闭计算机前将工作保存到磁盘中非常重要。

值得注意的是，内存和磁盘之间并不直接通信。它们依赖中央处理器来促进它们之间的数据传输。

中央处理器

中央处理器（CPU）是 RAM 和磁盘之间的中介。中央处理器也被称为计算机的 “大脑”，负责读写 RAM 和磁盘。

例如，当您编写代码并运行时，您的代码会被翻译成一组二进制指令存储在 RAM 中。这句话可以说得更清楚一些：”中央处理器读取并执行这些指令，其中可能涉及操作存储在 RAM 或磁盘中的数据。从磁盘读取数据的一个例子是打开文件系统中的文件并逐行读取。

所有计算都在中央处理器内完成，如加法/减法/乘法等。这只需几毫秒的时间。它从 RAM 中获取指令，解码这些指令并执行解码后的指令。在最底层，所有这些指令都以字节表示。

CPU 还包括一个高速缓冲存储器。高速缓冲存储器是一种速度极快的存储器，与 CPU 位于同一芯片上。

缓存

大多数 CPU 都有 L1、L2 和 L3 缓存，这些物理组件的速度比 RAM 快得多，但它们只能存储 KB 或几十 MB 的数据。

每次请求读取操作时，都会先检查缓存，然后再检查 RAM 和磁盘。如果请求读取的数据在缓存中，并且自上次访问以来没有变化，那么就会从缓存而不是 RAM 中获取数据。读写缓存比读写 RAM 和磁盘要快得多。缓存中存储的内容由操作系统决定。

缓存是一个重要的概念，应用于计算机体系结构之外的许多领域。例如，网络浏览器使用缓存来跟踪经常访问的网页，以便更快地加载它们。这些存储的数据可能包括 HTML、CSS、JavaScript 和图像等。如果数据在缓存网页时仍然有效，加载速度就会更快。但在这种情况下，浏览器使用磁盘作为缓存，因为进行互联网请求比从磁盘读取要慢得多。