计算机工作原理解析和解剖(基础版)

野性酷女 2024-04-23 12:54 1阅读 0赞

我们会从软件⼯程师的⻆度解释计算机是如何⼯作的，我们的主要⽬标既不是期待  
⼤家可以造出⾃⼰的计算机，也不是介绍如何编程，⽽是希望让⼤家了解计算机的核⼼⼯作机制后，打破计算机的神秘感，并且有利于理解我们平时编程时的⼀些⾏为、动作的历史渊源。

## 1.计算机是如何工作的 ##

**计算机发展史:**

计算的需求在⼈类的历史中是⼴泛存在的，发展⼤体经历了从⼀般计算⼯具到机械计算机到⽬前的电⼦计算机的发展历程。  
⼈类对计算的需求，驱动我们不断的发明、改善计算机。⽬前这个时代是“电⼦计算机”的时代，发  
展的潮流是：更快速、更稳定、更微型。计算机的以后将如何发展，期待⼤家的努⼒。

**冯诺依曼体系（Von?Neumann?Architecture）**

现代的计算机,,⼤多遵守冯诺依曼体系结构

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图有点丑哈哈哈,手残画师嘻嘻

• CPU?中央处理器:进⾏算术运算和逻辑判断.  
• 存储器:分为外存和内存,?⽤于存储数据(使⽤⼆进制⽅式存储)  
• 输⼊设备:⽤⼾给计算机发号施令的设备.  
• 输出设备:计算机个⽤⼾汇报结果的设备.

**针对存储空间**  
硬盘>内存>>CPU  
**针对数据访问速度**  
CPU>>内存>硬盘

**cpu基本工作流程**

1.  取指令阶段：CPU从内存中取出下一条指令，并将其存储在指令寄存器中。
2.  解码指令阶段：CPU对取出的指令进行解码，确定指令的操作类型和操作数。
3.  执行指令阶段：CPU根据解码后的指令类型执行相应的操作，可能涉及算术运算、逻辑运算、数据传输等。
4.  访存阶段：如果执行的指令需要访问内存中的数据，CPU会将数据地址发送到内存控制器，然后从内存中读取或写入数据。
5.  写回阶段：如果执行的指令产生了结果，CPU会将结果写回到相应的寄存器或内存位置。

这些阶段构成了CPU的基本工作流程，它们不断循环执行，从而实现计算机的各种功能和任务。

然后我们把这⼀节中⼀些要点给⼤家做⼀个⽂字总结：  
1. CPU中的PC寄存器，是决定CPU要执⾏哪条指令的关键；  
2. 指令是由动作+操作对象组成  
3. CPU眼中只有指令，没有其他的概念

## 编程语言和计算机的关系 ##

我们借助上文讲的cpu和内存来还原下我们熟悉的java语言是如何联系cpu的

**程序(program)**

所谓程序，就是⼀组指令以及这组指令要处理的数据。狭义上来说，程序对我们来说，通常表现为⼀组⽂件。  
程序=指令+指令要处理的数据。

早期的编程语言是需要用二进制来编写的,十分的麻烦,大家会疯掉,所以现在的编程语言就应运而生了

> 为了提升编程效率，最早创造了汇编语⾔的概念。其实汇编语⾔和机器语⾔（也就是指令）直接是完全⼀⼀对应的，只是相对于0、1这些数字，发明了⼀些帮助⼈类记忆和理解的符号将其对应起来，也就是我们上⾯看到的类似LOAD\_A、LOAD\_B等。程序员完成编程之后，需要使⽤汇编器（assembler）将汇编语⾔翻译成机器语⾔。  
> 虽然汇编降低了程序员的记忆成本，但要求程序还是必须掌握计算机硬件的所有知识，⽽且随着计算机⼚商越来越多，⼀次编写的程序往往只适⽤于⼀类计算机。这个是远远不够的，所以更为⾼级的语⾔诞⽣了，⾼级语⾔屏蔽了硬件细节，让程序员可以站在更⾼的层⾯上思考⾃⼰的业务。这⾥以C语⾔为例，程序员完成程序的编写之后，需要使⽤编译器（compiler）和连接器（linker）将程序翻译成汇编语⾔，再借助汇编器变成最终的机器语⾔。  
> 借助封装的思想，我们学习编程变得越来越容易。不过有利则有弊，⾼度的抽象，导致很多的程序员把计算机视为⼀个⿊箱，完全⽆法理解⾃⼰的程序是如何⼯作起来的，希望我们⼤家不要做这种程序员。  
> 我们使⽤的Java语⾔相对于C语⾔更⾼级⼀点，但基本抽象原理上没有太⼤的差异，我们暂时就不展开说明了。

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注意:高级语言的一条语句statement往往对应很多条指令Instruction.

**操作系统(Operating System)**

操作系统是⼀组做计算机资源管理的软件的统称。⽬前常⻅的操作系统有：Windows系列、Unix系  
列、Linux系列、OSX系列、Android系列、iOS系列、鸿蒙等。

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操作系统由两个基本的功能:

1.防止硬件被时空的应用程序滥用;

2.向应用程序提供简单的一致的机制来控制复杂而通常大相径庭的低级硬件设备;

**什么是进程/任务??(Process/Task)**

每个应⽤程序运⾏于现代操作系统之上时，操作系统会提供⼀种抽象，好像系统上只有这个程序在运⾏，所有的硬件资源都被这个程序在使⽤。这种假象是通过抽象了⼀个进程的概念来完成的，进程可以说是计算机科学中最重要和最成功的概念之⼀。

**进程是操作系统对⼀个正在运⾏的程序的⼀种抽象，换⾔之，可以把进程看做程序的⼀次运⾏过程；  
同时，在操作系统内部，进程⼜是操作系统进⾏资源分配的基本单位。**

**进程控制块抽象(PCB Process Control Block)**

计算机内部要管理任何现实事物，都需要将其抽象成⼀组有关联的、互为⼀体的数据。在Java语⾔中，我们可以通过类/对象来描述这⼀特征.

// 以下代码是 Java 代码的伪码形式，重在说明，⽆法直接运⾏
    class PCB {
    // 进程的唯⼀标识 —— pid;
     // 进程关联的程序信息，例如哪个程序，加载到内存中的区域等
    // 分配给该资源使⽤的各个资源
    // 进度调度信息（留待下⾯讲解）
    }

这样，每⼀个?PCB?对象，就代表着⼀个实实在在运⾏着的程序，也就是进程。  
操作系统再通过这种数据结构，例如线性表、搜索树等将PCB对象组织起来，⽅便管理时进⾏增删查改的操作.

**CPU分配-------进程调度(Process Scheduling)**

为了方便讨论和理解,大部分场景下假设是单CPU单核的计算机

操作系统对CPU的资源的分配,采用的是时间模式-----不同的进程在不同的时间段去使用CPU资源.

**内存分配---------内存管理（Memory Manage）**

操作系统对内存资源的分配，采⽤的是空间模式⸺不同进程使⽤内存中的不同区域，互相之间不会⼲扰。

**进程间通信(Inter Process Communication)**  
如上所述，进程是操作系统进⾏资源分配的最⼩单位，这意味着各个进程互相之间是⽆法感受到对⽅  
存在的，这就是操作系统抽象出进程这⼀概念的初衷，这样便带来了进程之间互相具备”隔离性  
（Isolation）。  
但现代的应⽤，要完成⼀个复杂的业务需求，往往⽆法通过⼀个进程独⽴完成，总是需要进程和进程  
进⾏配合地达到应⽤的⽬的，如此，进程之间就需要有进⾏“信息交换“的需求。进程间通信的需求  
就应运⽽⽣。  
⽬前，主流操作系统提供的进程通信机制有如下：  
1. 管道  
2. 共享内存  
3. ⽂件  
4. ⽹络  
5. 信号量  
6. 信号

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