漫谈计算机组成原理和编程语言

一、冯·诺伊曼体系结构

学习计算机体系结构之前，先来了解下冯·诺伊曼体系结构。它是现在计算机的基础，现在的计算机都是在其基础上改造的。

冯诺伊曼的工作原理

由图可知，它由五大部件组成：

输入设备
存储器
运算器
控制器
输出设备

特别注意：如上图蓝色部分，数据和指令以二进制形式，不加区别的放在存储器（内存）中．
上面部分具体的指代就是：键盘（输入设备），CPU(运算器和控制器)，硬盘（存储器），打印，显示设备（输出设备）等。下面来了解下计算机组成的基本概念。

二、计算机基本概念

1. CPU

cpu全称（Central processing Unit）中文名称中央处理器，它是一台计算机的运算核心和控制核心。相当于计算机的大脑，它主要是解释计算机指令和处理计算机中的数据。它主要包括运算器和高速缓冲存储器以及它们之间的联系的数据、控制及状态的总线。

2. 内存

内存(Memory)可以理解成内部存储器，用于暂时存放cpu中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。计算机中所有的程序都是在内存中运行的，通常我们编写的程序就是在内存中运行的。从冯·诺依曼体系结构的组成来说，内存就相当于存储器。

3. 硬盘

硬盘就是存储计算机输入或输出的数据的。从冯·诺依曼体系结构的组成来说，硬盘相当于输入输出设备。一般我们编写的程序，都是从硬盘加载到内存运行的。

4. 指令

指令就是告诉计算机从事某一特殊运算的代码。如：数据传送指令、算术运算指令、位运算指令、程序流程控制指令、串操作指令、处理器控制指令。

三、计算机各部件是怎么连接起来的？

通过IO桥将CPU和内存连接起来，IO桥利用总线与其他设备联系．总线结构类似软件中的SOA结构，将各个服务挂到总线上．举个栗子：操作系统将硬盘上的程序加载内存，然后cpu找到程序的一个指令，进行逐步执行．

计算机各部件通过总线来通信的,类似SOA结构

CPU连接北桥，北桥通过内部连接南桥．北桥处理快速设备，南桥处理慢速设备．上图中的IO桥就是南桥北桥的抽象．

IO桥.jpg

四、怎么解决CPU与其他部件工作速度不匹配问题？

可以提升硬盘等设备的速度，和CPU匹配（目前是不可能），所以承认局限性，充分压榨CPU的能力，让它＂忙死＂．

同步执行　---> 异步执行
顺序执行　---> 并发执行
添加中间件（增加缓存）

异步是并发的一种实现策略．异步应用于单线程层面的．
并发：当系统中仅有一个CPU时，在一个时间段内，由于各种原因使得多个程序交替执行，但是在一个时间点，CPU仅处理一个程序．这就是所谓的并发．
并行：系统存在多个CPU时，在一个时间段内，由于各种原因多个程序交替执行，有可能每个CPU处理一个程序，多个程序同时运行，这是就放生了并行．

局部性原理

时间局部性：如果程序中的某一条指令一旦执行，则不久后该指令可能再次被执行；如果某数据被访问，则不久后该数据可能再次被访问．
空间局部性：一旦程序访问了某个内存单元，则不久后其内存单元以及周边的内存单元再次被访问．

具体说不出什么原因，在计算机中，这个大概是上帝的规则吧！Java就是利用了局部性原理可以很方便搜索到程序所需要的class文件．

五、计算机编程语言

语言大体分这么两类：

自然语言（多义性）
形式语言（严格性）

程序员的工作就是将用形式语言来表达自然语言．

在计算机编程语言中，语言分为高级语言和低级语言，静态语言和动态语言．

高级语言（Java, c,c++）
低级语言（汇编语言，机器语言）

高级语言最终通过一系列的操作编译成低级语言，然后去执行．以c为例，普通的.c文件需要经过编译成目标文件然后去执行，而basic语言是直接解释的无须编译．

高级语言编译成低级语言

而且再复杂的程序最终会变成如下分支结构之一：

程序的本身

Java就是编译和解释混合使用，如下图：

Java工作原理

xxx.java通过编译成字节码(xxx.class)，然后再由JVM执行字节码时,将字节码翻译成具体平台上的机器指令．每个不同平台上拥有不同版本的JVM，所以起到跨平台的作用．

静态语言（Java，c）
动态语言（JavaScript，Python，Ruby）

动态语言在语法上，没有静态语言那么严格，就拿传参来说，动态语言不需要指定参数类型，而静态语言有着严格的规范．所以导致动态语言的错误往往在运行时发现．但是动态语言要比静态语言灵活．所以语言本身没有好坏，各有优劣，只是看你应用的场景．

六、迭代与递归

官方解释，迭代就是重复与自身复合的．如下代码：

int factorial(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        result *= i;　//迭代实例
    }
    return result;
}

官方解释，递归就是在一个方法或函数中间接或直接调用自己的行为．如下代码：

int factorial (int n) {
    if (n == 1) {
        return 1;
    }
    return n * factorial(n-1);
}

了解递归需要知道，进程在内存中的布局，上面的代码，布局图如下：

进程在内存中布局

每个函数栈帧就代表函数表用，如果函数1中调用函数2,则栈帧2进进栈．如果functionA()创建了栈帧，则返回地址为下一条指令的地址．上面代码的内存分布：

上面的递归有个明显的缺点，当n值很大，有可能发生栈溢出．改进如下：

int factorial (int n, int result) {
    if (n == 1) {
        return result;
    }
    return factorial(n, n*result);
}

尾递归：自己调用自己，并且返回值不属于表达式的一部分，没有其他运算．
利用尾递归，复用一个栈帧，搞定运算！

结束语：这是我学习中的收获，文中的各点只是各个层次的凤毛麟角，并没有很全面的介绍，主要是我不知道，所以慢慢积累吧！