寄存器和存储器

一、计算机硬件

先说内核：内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。内核的分类可分为单内核和双内核以及微内核。严格地说，内核并不是计算机系统中必要的组成部分，附一张内核体系结构照片

可以看到内核所处的位置：

CPU

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。

寄存器

寄存器是中央处理器内的组成部份。它跟CPU有关。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。

存储器

存储器范围最大，它几乎涵盖了所有关于存储的范畴。你所说的寄存器，内存，都是存储器里面的一种。凡是有存储能力的硬件，都可以称之为存储器，这是自然，硬盘更加明显了，它归入外存储器行列，由此可见。

内存

内存既专业名上的内存储器，它不是个什么神秘的东西，它也只是存储器中的沧海一粟，它包涵的范围也很大，一般分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），以及最强悍的高速缓冲存储器（CACHE），只读存储器应用广泛，它通常是一块在硬件上集成的可读芯片，作用是识别与控制硬件，它的特点是只可读取，不能写入。随机存储器的特点是可读可写，断电后一切数据都消失，我们所说的内存条就是指它了。

缓存CACHE

缓存就是数据交换的缓冲区（称作Cache），当某一硬件要读取数据时，会首先从缓存中查找需要的数据，如果找到了则直接执行，找不到的话则从内存中找。由于缓存的运行速度比内存快得多，故缓存的作用就是帮助硬件更快地运行。因为缓存往往使用的是RAM（断电即掉的非永久储存），所以在用完后还是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最大的缓存就是内存条了，最快的是CPU上镶的L1和L2缓存，显卡的显存是给显卡运算芯片用的缓存，硬盘上也有16M或者32M的缓存。CACHE是在CPU中速度非常块，而容量却很小的一种存储器，它是计算机存储器中最强悍的存储器。由于技术限制，容量很难提升。

二、主要区别

1、寄存器存在于CPU中，速度很快，数目有限；
存储器就是内存，速度稍慢，但数量很大；
计算机做运算时，必须将数据读入寄存器才能运算。
2、存储器包括寄存器,
存储器有ROM和RAM

三、寄存器

简介

寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中，存器有累加器(ACC)。
寄存器的基本单元是 D触发器，
按照其用途分为基本寄存器和移位寄存器
基本寄存器是由 D触发器组成，在 CP 脉冲作用下，每个 D触发器能够寄存一位二进制码。在 D=0 时，寄存器储存为 0，在 D=1 时，寄存器储存为 1。在低电平为 0、高电平为 1 时，需将信号源与 D 间连接一反相器，这样就可以完成对数据的储存。
需要强调的是，目前大型数字系统都是基于时钟运作的，其中寄存器一般是在时钟的边缘被触发的，基于电平触发的已较少使用。（通常说的CPU的频率就是指数字集成电路的时钟频率）
移位寄存器按照移位方向可以分为单向移位寄存器和双向移位寄存器。单向移位寄存器是由多个 D 触发器串接而成,在串口 Di 输入需要储存的数据，触发器 FF0 就能够储存当前需要储存数据，在 CP 发出一次时钟控制脉冲时，串口 Di 同时输入第二个需要储存是的数据，而第一个数据则储存到触发器 FF1 中。双向移位寄存器按图中方式排列，调换连接端顺序，可以控制寄存器向左移位，增加控制电路可以使寄存器右移，这样构成双向移位寄存器。

特点

寄存器又分为内部寄存器与外部寄存器，所谓内部寄存器，其实也是一些小的存储单元，也能存储数据。但同存储器相比，寄存器又有自己独有的特点：
①寄存器位于CPU内部，数量很少，仅十四个
②寄存器所能存储的数据不一定是8bit，有一些寄存器可以存储16bit数据，对于386/486处理器中的一些寄存器则能存储32bit数据
③每个内部寄存器都有一个名字，而没有类似存储器的地址编号。

用途

1．可将寄存器内的数据执行算术及逻辑运算
2．存于寄存器内的地址可用来指向内存的某个位置，即寻址
3．可以用来读写数据到电脑的周边设备。

四、存储器

存储器简介

构成存储器的存储介质，存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节（按字节编址）。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数（即5位十六进制数）组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。

ROM、RAM的区别

ROM（只读存储器或者固化存储器）RAM（随机存取存储器）ROM和RAM指的都是半导体存储器，ROM是Read Only Memory的缩写，RAM是Random Access Memory的缩写。ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM就是计算机的内存。 RAM有两大类，一种称为静态RAM（Static RAM/SRAM），当数据被存入其中后不会消失。SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了。当这个SRAM 单元被赋予0 或者1 的状态之后，它会保持这个状态直到下次被赋予新的状态或者断电之后才会更改或者消失。但是存储1bit 的信息需要4-6 只晶体管。因此它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。另一种称为动态RAM（Dynamic RAM/DRAM），DRAM 必须在一定的时间内不停的刷新才能保持其中存储的数据。DRAM 只要1 只晶体管就可以实现。DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很 多，计算机内存就是DRAM的。 DRAM分为很多种，常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，这里介绍其中的一种DDR RAM。DDR RAM（Date-Rate RAM）也称作DDR SDRAM，这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用 得最多的内存，而且它有着成本优势，事实上击败了Intel的另外一种内存标准－Rambus DRAM。在很多高端的显卡上，也配备了高速DDR RAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。
ROM也有很多种，PROM是可编程的ROM，PROM和EPROM（可擦除可编程ROM）两者区别是，PROM是一次性的，也就是软件灌入后，就无法修 改了，这种是早期的产品，现在已经不可能使用了，而EPROM是通过紫外光的照射擦出原先的程序，是一种通用的存储器。另外一种EEPROM是通过电子擦出，价格很高，写入时间很长，写入很慢。 最初,把只能读的存储器叫做ROM(Read Only Memory),并且掉电后数据不会丢失。由于不能改写，因而使用起来很不方便。随着技术的进步，在ROM中使用一些新技术，就可以使它具有可以编程的功能。比较早的是熔丝型的可编程ROM，由于是通过熔断熔丝来编程的，所以这类ROM编程后，就不能再写了，是一次性的(OTP)。后来又出现了EPROM，是通过紫外线来擦除的，并且通过高压来编程，这类ROM上面一般有一个透明的石英玻璃窗，看上去挺漂亮的，它就是用来给紫外线照射的。后来又出现了EEPROM，不用紫外线照射就可以擦除，因而可以直接在电路中编程。另外还有FLASH ROM，又可分为NOR FLASH和NAND FLASH。FLASH ROM一般有一个特点，就是写数据时，可以将1改为0，而不能将0改为1，因而写数据前需要擦除，擦除时将所有数据置1。之所以依然叫做ROM，归纳一下，大概有几个原因:
①不能像RAM那样快速的写；
②可能需要特殊的擦写电压；
③可能需要特殊的擦写时序；
④可能需要在写之前进行擦除操作；
⑤擦写次数有限,不像RAM那样可以随意写而不损坏；
⑥掉电后数据不会丢失；
举个例子，手机软件一般放在EEPROM中，我们打电话，有些最后拨打的号码，暂时是存在SRAM中的，不是马上写入通过记录（通话记录保存在EEPROM中），因为当时有很重要工作（通话）要做，如果写入，漫长的等待是让用户忍无可忍的。
FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦出可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据 （NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来 Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用（U盘）。
目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一快的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户 不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。 一般小容量的用NOR Flash，因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC（Disk On Chip）和我们通常用的“闪盘”，可以在线擦除。

五、CPU位数、操作系统位数、指令集、寄存器位数、机器字长等

CPU位数 = CPU中寄存器的位数 = CPU能够一次并行处理的数据宽度 = 数据总线宽度

CPU为了实现其功能一般设计了指令集(如：IA32指令集和x86-64指令集等)，即是CPU的全部指令，这就是机器语言。计算机的所有功能都是基于CPU的指令集。指令集和CPU的位数是有联系 的。如Intel 8086 CPU 是16位，其指令集也是16位。如Intel 80386DX CPU 是32位，其指令集也是32位，但它也保持原16位指令集，这是为了向上兼容。

注意：x86 又叫 IA32，即 Intel Architecture 32（Intel32位架构）

操作系统位数 = 其所依赖的指令集位数 <= CPU位数

机器字长 = 整数和指针数据的标称大小（字长决定的最重要的参数就是虚拟地址空间的最大大小）

CPU位数与操作系统位数，这二者有区别也有联系，操作系统位数的概念是基于CPU的位数的。 CPU的位数是指CPU能一次同时寄存和处理二进制数码的位数，这和CPU中寄存器的位数对应。 操作系统的位数是说其所依赖的指令集的位数。计算机系统一般都应有向上兼容性，所以也可有64位CPU上运行32位操作系统、32位CPU上运行16位操作系统的情况。操作系统位数应该是根据指针类型的位数来定的。整数类型不一定跟位数相等，CPU位数准确地说应该是CPU一次能够并行处理的数据宽度，一般就是指数据总线宽度。
附：
64位CPU如：AMD Athlon64 、Intel Pentium 4 F
32位CPU如：Intel 80386DX 到 Intel Pentium III 和部分Intel Pentium 4
16位CPU如：Intel 8086、Intel 80286
64位操作系统如：Windows XP Professional x64和Windows Server 2003 x64
32位操作系统如：Windows95、Windows98、Windows NT、Windows 2000、Windows XP
16位操作系统如：DOS
Windows1.0到3.2是运行在DOS上的，不能算是独立的操作系统。

链接：https://www.zhihu.com/question/24565362/answer/54451597