計(jì)算機(jī)的基本是由什么組成？（上）

軟件行業(yè)非常迅速，以前流行C,C++java,spring，現(xiàn)在springcloud,docker,微服務(wù)，k8s云原生等概念火熱，還有各種各樣的新技術(shù)在不斷的涌現(xiàn)出來(lái)。但是計(jì)算機(jī)底層原理 這幾十年一直并沒(méi)有太大的變化，與其不斷去嘗試新技術(shù)，不如耐住性子，深入學(xué)習(xí)底層的知識(shí)，好好修煉“內(nèi)功”。

計(jì)算機(jī)的軟硬件概念

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由"軟件"和"硬件"2大部分組成

其中軟件如果按應(yīng)用范圍分類，一般分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件：

1. 系統(tǒng)軟件是各類操作系統(tǒng)，如windows、Linux、UNIX等，還包括操作系統(tǒng)的補(bǔ)丁程序及硬件驅(qū)動(dòng)程序，都是系統(tǒng)軟件類。
2. 應(yīng)用軟件可以細(xì)分的種類就更多了，如工具軟件、游戲軟件、管理軟件等都屬于應(yīng)用軟件類。

其中計(jì)算機(jī)硬件經(jīng)過(guò)發(fā)展歷程：

1. 電子管時(shí)代，速度每秒幾千次~幾萬(wàn)次
2. 晶體管時(shí)代，速度每秒幾萬(wàn)次~幾十萬(wàn)次
3. 中小規(guī)模集成電路時(shí)代，速度每秒幾十萬(wàn)次~幾百萬(wàn)次
4. 大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代，速度每秒上千萬(wàn)次~萬(wàn)億次

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

1946年，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，人類進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)代，馮諾依曼和其他計(jì)算機(jī)科學(xué)家們 提出了計(jì)算機(jī)"存儲(chǔ)程序"的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)理念，即將計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行編碼后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，需要的時(shí)候可以順序地執(zhí)行程序代碼，從而控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行。還定義計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)為 5 個(gè)部分，分別是運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備，這就是馮.諾依曼計(jì)算機(jī)。

實(shí)線箭頭表示 數(shù)據(jù)線，虛線箭頭表示 控制線和反饋線

馮·諾依曼計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：

1. 計(jì)算機(jī)由 運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備 五大部件組成， 側(cè)重于硬件抽象
2. 將計(jì)算機(jī)的計(jì)算和記憶分開(kāi)，負(fù)責(zé)計(jì)算的部分由運(yùn)算器和控制器組成，負(fù)責(zé)記憶的部分稱為存儲(chǔ)器
3. 指令和數(shù)據(jù)均用 二進(jìn)制數(shù) 表示
4. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可 按地址尋訪
5. 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來(lái)表示操作的性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置
6. 指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果

或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序

7. 以運(yùn)算器為中心

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與馮·諾依曼計(jì)算機(jī)差別不大，最大的區(qū)別馮·諾依曼計(jì)算機(jī) 是 以運(yùn)算器為中心的 ，而現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 以儲(chǔ)存器為中心：

接下來(lái)，我們分別介紹一下這幾個(gè)重要組成部分

1. 存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序。存儲(chǔ)器 包含主存和輔存

• 主存：直接與CPU交換信息，就是我們熟悉的內(nèi)存
• 輔存：輔存可作為主存的后備存儲(chǔ)器，不直接與CPU交換信息，容量比主存大，但速度比主存慢。比如機(jī)械硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)等

2. 運(yùn)算器

運(yùn)算器也叫算數(shù)邏輯單元，是進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，在控制器的控制下，對(duì)取自內(nèi)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算的結(jié)果送到內(nèi)存儲(chǔ)器。

3. 控制器

控制器用來(lái)控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸人、運(yùn)行以及處理運(yùn)算結(jié)果。計(jì)算機(jī)在工作時(shí)，控制器首先從內(nèi)存儲(chǔ)器中按順序取出一條指令，并對(duì)該指令進(jìn)行譯碼分析，根據(jù)指令的功能向相關(guān)部件發(fā)出操作命令，使這些部件執(zhí)行該命令所規(guī)定的任務(wù)，執(zhí)行之后再取出第二條指令進(jìn)行分析執(zhí)行。如此反復(fù)，直到所有指令都執(zhí)行完成。

4. 輸入設(shè)備

輸入設(shè)備用來(lái)將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識(shí)別的信息形式，常見(jiàn)的有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等

5. 輸出設(shè)備

輸出設(shè)備可將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式，如打印機(jī)輸出、顯示器輸出等。

6. 中央處理器(CPU)

由于運(yùn)算器和控制器在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)上聯(lián)系十分精密，特別是大型集成電路時(shí)代的到來(lái)，所以往往會(huì)將運(yùn)算器和控制器集成到同一個(gè)芯片上，統(tǒng)稱 在中央處理器(CPU)，其功能是從內(nèi)存儲(chǔ)器中取出指令、解釋指令并執(zhí)行指令。

7. CPU中 還有一個(gè)常見(jiàn)的組件，寄存器

寄存器是CPU內(nèi)部用來(lái)存放數(shù)據(jù)的一些小型的存儲(chǔ)區(qū)域，用來(lái)暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)以及運(yùn)算結(jié)果。寄存器由電子線路組成，存取速度非?？?，與CPU的速度相當(dāng)，寄存器的成本較高，因而數(shù)量較少。CPU內(nèi)部的寄存器類型有指令寄存器、程序計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器以及狀態(tài)寄存器等。

總線

總線是貫穿整個(gè)系統(tǒng)的是一組電子管道，稱作總線，它攜帶信息字節(jié)并負(fù)責(zé)在各個(gè)計(jì)算機(jī)部件間傳遞。通?？偩€被設(shè)計(jì)成傳送定長(zhǎng)的字節(jié)塊，也就是字（word）。字中的字節(jié)數(shù)（即字長(zhǎng)）是一個(gè)基本的系統(tǒng)參數(shù)，各個(gè)系統(tǒng)中都不盡相同?，F(xiàn)在的大多數(shù)機(jī)器字長(zhǎng)要么是4個(gè)字節(jié)（32位），要么是8個(gè)字節(jié)（64位）。本文我們不對(duì)字長(zhǎng)做任何固定的假設(shè)

另外計(jì)算機(jī)最小的存儲(chǔ)單位是 字節(jié)（ byte ） ，1 字節(jié)等于 8 位（1Byte=8bit），而 位/比特（bit） 是計(jì)算機(jī)最小的數(shù)據(jù)傳輸單位。1 字節(jié)等于 8 位(1Byte=8bit）這個(gè)換算規(guī)則大家需要牢記

我們順便把內(nèi)存相關(guān)的知識(shí)串起來(lái)：計(jì)算機(jī)將8個(gè)bit歸為一組，為字節(jié)，每一個(gè)字節(jié)都對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)存地址。內(nèi)存的地址是從 0 開(kāi)始編號(hào)的，然后自增排列，最后一個(gè)地址為內(nèi)存總字節(jié)數(shù) - 1。CPU只需要知道某個(gè)數(shù)據(jù)類型的地址, 就可以直接去到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存位置去提取數(shù)據(jù)了。

總線可分為 3 種：

• 地址總線 ，一般用于指定 CPU 將要操作的內(nèi)存地址；
• 數(shù)據(jù)總線 ，一般用于讀寫(xiě)內(nèi)存的數(shù)據(jù)；
• 控制總線 ，一般用于發(fā)送和接收信號(hào)，比如中斷、設(shè)備復(fù)位等信號(hào)，CPU 收到信號(hào)后，通過(guò)控制總線進(jìn)行響應(yīng)；