CPU与存储器，它们如何协同工作以提升计算机性能？

一、CPU

1、定义：中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）作为计算机系统的核心部件，是信息处理、程序运行的最终执行单元，它主要负责读取指令、解释指令以及执行指令，对计算机软件中的数据进行处理。

2、工作原理：在冯·诺依曼体系结构下，CPU的工作分为五个阶段，即取指令（IF）、指令译码（ID）、执行指令（EX）、访存取数和结果写回（MEM）、结果写回（WB），CPU首先从主存储器中取出一条指令并取到指令寄存器中，然后由指令译码器按照预定的指令格式对取回的指令进行拆分和解释，识别出不同的指令类别以及获取操作数的方法，接着CPU的不同部分被连接起来以执行所需操作，最后将执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。

3、性能指标：影响CPU性能的主要指标有主频、CPU的位数、CPU的缓存、指令集、IPC（每周期指令数）、CPU核心数和IPC等，主频直接决定了CPU的性能，而缓存性能直接影响CPU处理性能。

4、结构：通常可以分为运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等，运算逻辑部件能够进行相关的逻辑运算以及移位操作等；寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器，通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途；控制部件则负责指挥CPU的各个部件协同工作。

5、发展历程：自1971年Intel生产的4004处理器问世以来，CPU经历了多个发展阶段，包括4位和8位低档微处理器时代、16位以上的微处理器时代、奔腾系列微处理器时代以及酷睿系列处理器和锐龙系列处理器等，现代处理器逐渐向更多核心、更高并行度发展。

二、存储器

1、定义：存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

2、分类：按存储介质可分为半导体存储器和磁表面存储器；按存储方式可分为随机存储器和顺序存储器；按信息的可保存性可分为非永久记忆的存储器和永久记忆性存储器；按在计算机系统中的作用可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。

3、层次结构：按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存，内存储器又常称为主存储器，属于主机的组成部分，可与CPU直接交换信息；外存储器又常称为辅助存储器，属于外部设备，CPU要使用外存时，必须通过内存才能进行。

4、内存：内存指主板上的存储部件，主要用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，如果关闭电源或断电，那么数据就会丢失，目前主流配置的内存多在128MB以上。

5、外存：外存最常见的是磁盘存储器，包括硬盘和软盘，硬盘是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成，这些碟片只是在外覆盖有一层铁磁性材料，硬盘的内部结构主要由磁头、磁道、扇面、柱面组成，软盘是电脑中最早使用的可移介质，其读写是通过软盘驱动器来完成的。

三、CPU与存储器的关系

1、CPU的运算速度远远高于主存，因此需要缓存来弥补CPU和主存之间速度差异带来的瓶颈，缓存介于CPU和内存之间，用于临时存储CPU经常访问的数据和指令，以减少CPU直接访问主存的次数，提高CPU的访问速度和整体性能。

2、内存作为快速存储器，为CPU提供临时的数据存储空间，使得CPU能够快速地读取和写入数据，当CPU需要执行程序时，会从内存中读取指令和数据到CPU内部进行运算和处理，处理完成后再将结果写回内存。

3、外存则用于长期存储大量的程序和数据，当需要使用时，再将数据从外存调入内存供CPU使用，当启动一个程序时，操作系统会将该程序的部分或全部从硬盘加载到内存中，以便CPU能够快速地访问和执行。