【JavaEE初阶】计算机是如何工作的

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  写在前面

       一、计算机发展历史

       二、冯诺依曼体系

       三、CPU 

                   3.1 浅谈CPU

                   3.2 寄存器

                   3.3 指令

                   3.4 CPU的操作流程

                   3.5 时钟周期

       四、编程语言

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写在前面

本篇博客 主要介绍的是 计算机组成原理 的知识， 其重点在于介绍 计算机是如何工作的，计算机系统的各个组成部分，编程语言的发展史 等等的内容~~

一、计算机发展历史

人类历史上很多发明的东西，其最早的目的 就是为了 "军事"~~

计算机诞生于 "普林斯顿大学"，发明者是 约翰·冯·诺依曼~~

最初计算机的诞生，是用来计算 "弹道导弹" 的轨迹~~

计算机硬件的发展过程：

第一代：电子管计算机
第二代：晶体管计算机
第三代：中小规模集成电路计算机
第四代：大规模和超大规模集成电路计算机
第五代：人工智能和大数据云服务的结合 

摩尔定律：

集成电路上的晶体管数量每18月就会翻一翻，所以每18月计算机的处理效率就会提高一倍~~

二、冯诺依曼体系

存储器：分为 内存 和 外存~~

那么，内存和外存到底有哪些区别呢？

1. 从存储空间上来看，内存空间一般要小于外存空间
2. 从访问速度上来看， 访问内存的速度要比访问外存的速度快上3~4个数量级，要快上几千上万倍
3. 内存所需要的成本要更高，一个非常大的内存，需要超超超超级氪金玩家才会用得起
4. 对于内存来说，断电就会导致数据的丢失；对于外存来说，断电数据仍然不丢失（因此就引出了数据 "持久化"存储，即 把数据存储到外存（硬盘）里面）

输入设备：

输入设备主要有：键盘、鼠标、麦克风、摄像头......

它们都可以把外界的信息采集进来，传输到计算机里面 

输出设备：

输出设备主要就是用来 给用户反馈一下信息的效果，

比如说，显示器、音箱......都是输出设备 

不过需要注意的是，输入设备和输出设备不是严格意义上的分隔开的，

有的设备就是 既是输入设备，又是输出设备。

比如说，戳摸屏（如 手机上的触摸屏，既可以用来去看，又可以用来去摸）

比如说，网卡（上网的时候，通过网卡，既可以接收别人发过来的数据，又可以把自己想要发送的数据发送过去）

CPU：

中文名 "中央处理器"，主要由 "运算器"和"控制器"组成~~

其中，控制器的功能是控制计算机各部分协调工作,运算器则是负责计算机的算术运算和逻辑运算~~

一台计算机，能够运行程序，能够进行算术运算，能够进行逻辑判断，全部都是靠 CPU~~

CPU 就相当于是计算机的大脑，是当前人类科技水平的巅峰之作~~

CPU特别特别重要，据说比氢弹还牛掰（据说 全世界 只有两个国家才可以制造出 CPU）~~

注意：

显卡和 CPU 本质上没有啥区别，

主要就是 CPU叫做通用计算芯片，应对各种计算场景；

而 显卡叫做专用计算芯片，特别擅长计算大规模浮点数，尤其是矩阵计算，运算量贼大（当然，这个CPU也可以做到，但是CPU可以做到的事情，显卡不一定可以做到），尤其是在游戏领域~~

可以类比于，CPU类似于大学生，学的东西可多啦；

而显卡类似于小学生，只会算 1+1；

而大学生也可以算 1+1哇~~

但是邀请小学生的代价低啊（即便有许多许多个小学生 也可能会低于 一个大学生）~~

所以说，显卡本质上也是 CPU，只不过这个 CPU 只是专门算 浮点运算的~~

三、CPU 

3.1 浅谈CPU

由于 CPU 特别特别重要，特别特别牛掰，所以还需要浅浅的介绍一下 CPU 了...... 

CPU本质上是一系列的 "门电路" 来构成的~~

而所谓的 "门电路"，就是最基本的 "与门"、"或门"、"非门" 等等门电路~~

在这里先不做过多解释，感兴趣的铁铁们 可以去看看关于数电、模电之类的书籍......

通过门电路，我们可以得到加法器来算出加法了，之后也可以算减法（补码存在的意义，就是是用加法来代替减法）；再进一步，也可以算出乘法和除法了~~

也就是说，通过这些门电路，就构造出了计算单元~~

除此之外，还能够造出 控制单元，也可以构造处 存储单元~~

这些基本的组件，就够造成了完整的 CPU ~~

所以说，为啥我们认为 CPU 里面的制程越小越好？

——一个 CPU 芯片的面积是固定的，如果制程越小，单个门电路的体积就越小，整个 CPU 上面能够搭载的 门电路 数量就越多；数量越多，说明 CPU 上面的功能模块就越多，算的就越快（俗称 人多力量大）~~

说明：虽然我们希望它越小越好，但是也不能无限小（从物理角度上来说，现有科技在量子领域中还有很长的路要走）~~

刚刚介绍到，CPU 不可以无限小，而到了现在，CPU的算力已经接近于极限了~~

于是，现在的 CPU 发展路线，已经不仅仅是追求小了， 还要追求 "多核"了：

"单核" 搞不定的，可以用 "多核" 来凑，通过这样的方式，也可以从整体上提高 CPU 的算力~~

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3.2 寄存器

寄存器 也是用来存储数据的一个组件，和内存（主储存器）都是属于储存器，除此之外，还包括外存（硬盘，磁盘等）~~

功能和内存都差不多，都是存储数据，都是断电就消失~~

只不过 寄存器 不是单独的硬件设备，而是长在 CPU 上的一个部件~~

换句话说， CPU 自身也有一定的数据存储能力~~

相比于内存来说，寄存器与它是有一定的区别的：

1. 储存空间更小（内存可以有几十个G，而 寄存器一般就是几百个字节，最多只有几K）
2. 访问速度更快（比内存又快了 3~4 个数量级）

寄存器搞这么小，是因为成本就比内存还要高出很多很多~~

现在，寄存器所起到的效果，就是用来辅助程序运行，存储程序运行中产生的一些中间结果~~

比如说，想计算一个 10+20，

就需要：

1. 从 内存 中读取 10 到寄存器A中
2. 从 内存 中读取 20 到寄存器B中
3. 执行相加指令，把两个寄存器相加的值，保存到 寄存器A（或 寄存器B）中
4. 把寄存器A（或 寄存器B）中的值写回内存

CPU 的计算是针对寄存器中的值进行的~~ 

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3.3 指令

什么是指令？

简单的来说，指令就是人给计算机发布的命令~~

不过，计算机要想好好干活，那么程序员就需要把计算机所要干的活指定清楚、明确无歧义~~

而 程序员指定计算机干啥活的 过程就叫做 "编程"，换句话说，程序员所写好的程序，里面就包含了许多的 "指令"~~

说明：

人写的 Java、C/C++ 这样的编程语言构成的代码（相对于来说更接近自然语言），

计算机并不认识，计算机所认识的是 二进制的指令，

因此 就会有这样一个环节，把人写的代码（高级语言） 翻译成 计算机所能识别的指令（机器语言），这个翻译的过程，就叫做 编译；完成这个 编译工作的程序，就叫做 编译器~~

那么，指令究竟是长什么样的呢？

指令表

指令	功能说明	4位 opcode（指令编码）	操作的内存地址或者寄存器
LOAD_A	从 RAM 的指定地址，将数据加载到 A 寄存器	0010	4 位 RAM 地址
LOAD_B	从 RAM 的指定地址，将数据加载到 B 寄存器	0001	4 位 RAM 地址
STORE_A	将数据从 A 寄存器写RAM 的指定地址	0100	4 位 RAM 地址
ADD	计算两个指定寄存器的数据的和，并将结果放入第二个寄存器	1000	2 位的寄存器 ID 2 位的寄存器 ID

上面的 "指令表"中的指令 是一个极简版本，实际上 计算机（CPU）上面支持的指令很多~~

内存地址：把内存进行了编号~

把内存想象成 宿舍楼的大走廊，每个房间都有编号，按照一定的顺序 依次往下累加，

而内存是 从0开始依次往下累加的，

这个房间号，就是内存的地址~

以八位的指令为例，前四位表示操作码，后四位表示被操作数据的地址：

LOAD_A指令：0010 0111 表示将 0111 地址的数据加载到寄存器A~~
LOAD_B指令：0001 0101 表示将 0101 地址的数据加载到寄存器B~~
STORE_A指令：0100 0011 表示将寄存器A中的数据保存到 0011 所处的空间~~
ADD指令：将两个寄存器的结果相加，并将结果保存至第二个寄存器，如1000 0001将00寄存器的数据与01寄存器的数据进行相加，并将计算结果放入寄存器01~~

但是，以上的规则是咋们自己设定的，真实的计算机是一个套路，但是情况比这个要复杂的多（比如说 并不是拿4个比特位 表示一个操作码，比如说 操作地址并不是4位，也有可能是32位、64位等等）~~
 

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3.4 CPU的操作流程

地址（十进制）	数据（二进制）
0	0010 1110
1	0001 1111
2	1000 0100
3	0100 1101
4	0000 0000
5	0000 0000
6	0000 0000
7	0000 0000
8	0000 0000
9	0000 0000
10	0000 0000
11	0000 0000
12	0000 0000
13	0000 0000
14	0000 0011
15	0000 1110

这个表表示内存中的一个片段，每一个内存地址里存的都是一个指令~~

每一个指令都是按照上述 "指令表" 来展开的~~

接下来指令加载到内存之后，CPU就可以执行程序了~~

（1）CPU 先从内存中读取指令~~

从哪个地址开始读？

在 CPU 里有一个特殊的寄存器，叫做 "程序计数器"，也称为 "PC指针"~~

实际上在 x86_32 CPU 叫做 eip寄存器~~

程序计数器中就包含了一个 "地址"，表示接下来要读哪个内存里的指令~~

（程序计数器 就像书签一样，书签往书里面一夹，就知道书已经读到哪里了）

程序一启动的时候，程序计数器一般就会有一个初始值，就会从程序的入口代码开始读取指令了~~

初始情况下，如上表 就会读到 地址是 0 的数据 0010 1110~~

 

（2）解析指令

读取指令之后，就需要解析指令了~~

对照前面的 "指令表" 来看，0010 1110 是啥意思~~

按照上述设定，每个指令 是 8 bit，包含两个部分：

前 4 bit 是指令的操作码（opcode），指令要干啥；

后 4 bit 是操作数，不同的指令操作数不一样~~

对照前面的 "指令表" 可以知道，0010是LOAD_A，1110是 要读的内存地址，

所以它的意思是：从 1110 这个地址里 读一个字节到 A 寄存器中~~

（3）执行指令

二进制1110 翻译成十进制 就是 14 ，可以观察上表，发现 地址是14的 数据为 0000 0011，也就是十进制的3~~

于是，就向寄存器A 放了一个3~~

此时，执行完第一条指令以后，程序计数器就会累加，从一开始的 0 变成了 1，执行下一条指令（地址是1，数据是 0001 1111）......

这就是CPU基本的工作过程：读取指令、解析指令、执行指令~~

 

但是，虽然看起来好像是 CPU先读一条指令，解析指令，执行指令；再读下一条指令，......

可是实际上并不是这样，反而是类似于 "流水线" 的方式执行的：

这种方式 禁止摸鱼！！！

这样的设计 主要的目的是：可以提高程序的执行效率，可以保证各单位都在满负荷工作~~ 

在流水线的过程中 涉及到一个很重要的关键的环节——谁是第二条指令~~

如果只是单纯的顺序语句，第二条指令 地址往后累加就行了~~

如果是条件判断，循环，函数等等，程序计数器就不是单纯累加，就有可能会跳过很多地址~~

可是，如果不知道谁是第二条指令，那应该怎么办去读呢？

——既然不知道下一条指令是哪一个，那么 CPU 就会猜一下（即 分支预测）

如果 CPU 猜中了，那么 流水线仍然可以继续好好跑；

如果 CPU 猜错了，也没有关系，重新按照实际情况再读一遍指令就可以了~~

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3.5 时钟周期

前面所说过，CPU 是按照 "流水线" 的方式来执行的~~

如果要想这几个流水线之间可以相互协同工作、有节奏的配合的话~~

那就需要："时钟周期" 来进行帮助~~

类似于拔河比赛，除了有运动员使劲拽绳子，还需要有一个人喊口号：需要让运动员们 力气向着一处使~~

而这个 喊口号的人 就相当于是 时钟周期~~

如上图所示，当前我使用的电脑的主频是 2.10GHz，也可以看作当前电脑 CPU 1秒钟就有 2.10亿个时钟周期~~

其实，每一个指令的执行都需要消耗 几个时钟周期的，但是 在流水线的生产环境下，可以简单的视为 一个指令消耗了一个时钟周期~~ 

四、编程语言

机器语言：

又称为 二进制代码语言，需要程序员来记忆每一条指令的代码~~

但是，在这种情况下，效率贼低~~

可是，机器语言 却是计算机唯一可识别和执行的语言~~

汇编语言：

为了提升编程的效率，最早创造了汇编语言的概念~~

汇编语言就是 用英文单词或者其缩写代替二进制的代码，使人们更容易记忆和理解~~

其实，汇编语言 和 机器语言（也就是指令）是一一对应的，只是相对于0、1这些数字，发明了一些帮助人类理解和记忆的 符号将其对应起来，也就是 上面的 类似于LOAD_A，LOAD_B等等~~

程序员完成编译之后，需要使用 汇编器 将汇编语言翻译成机器语言，以便计算机可以识别和执行~~

高级语言：

虽然汇编语言降低了程序员的记忆成本，但是仍然要求程序员必须掌握 计算机硬件的所有知识~~

但是，随着计算机的厂商越来越多，一次编写的程序 往往只适用于一类计算机~~

但是这仍然不够，所以更高级的语言诞生了（如 C/C++，Java 等等），屏蔽了各种细节，程序员可以站在更高的层面上思考自己的业务~~

总结来说，我们所写的代码 都会被编译器转换成 许多条 CPU 可以识别的机器语言指令，CPU 执行这些指令以后，实现程序的功能~~

注意：高级语言的一条语句 往往对应很多条指令 才能完成~~

这一篇文章的目标 是为了让大家了解到 计算机是如何工作的，了解到计算机是如何编写我们所写的代码的~~

如果感觉这篇文章对大家有帮助的话，点赞评论关注走一波，非常非常感谢啦~~