【非科班前端】注意了！ 計算機組成原理知識已送到你嘴邊!

前端開發人員中，有至關大比例的同窗不是科班出來的，因此對於基本的科班必修課，例如：計算機組成原理、操做系統、計算機網絡、數據結構和算法等知識接觸很少。

當你越深刻學習，越會發現這些知識的重要性。

好比你們都知道js裏面0.1 + 0.2 是不等於0.3的，爲何呢？這就牽扯到計算機組成原理中浮點數的表示方法，以及浮點數的加減運算（正文會有白話版解答）。

又例如從鍵盤輸入a+b這個指令，如何經過cpu的調度輸出到屏幕上呢？這就涉及到馮諾依曼體系，若是你是編程人員，都不清楚數據從鍵盤到屏幕的基本流向，恐怕很難說本身是合格的編程人員吧。

本文是一個計算機組成原理最基本的入門文章，我以爲前端沒有必要那麼深刻這個專題，具有基本的計算機組成原理的常識便可。

一、計算機的工做原理

首先，計算機最基本的5大組成部分以下圖，分別爲：輸入設備(好比鍵盤), 存儲器(好比內存), 運算器(cpu), 控制器(cpu), 輸出設備(顯示器)。

工做原理以下

1.1 控制器 ---> 控制輸入設備 ----> 指令流向內存

當咱們輸入數據的時候，cpu裏的控制器會讓輸入設備把這些指令存儲到存儲器(內存)上。

1.2 控制器分析指令 ---> 控制存儲器 ---> 把數據送到運算器

控制器分析指令以後， 此時讓存儲器把數據發送到運算器裏(控制器和運算器都在cpu裏面)

這裏須要注意，存儲器既能存儲數據，還能存儲指令(後面會講指令是什麼，怎麼執行)

1.3 控制器控制運算器作數據的運算 而且將運算結果返回存儲器

1.4 控制器控制存儲器將結果返回給輸出設備

從接下來，咱們更近一步，看看計算機內部，CPU是怎麼跟存儲器交互的。

二、CPU及其工做過程

CPU中比較重要的兩個部件是運算器和控制器，咱們先來看看運算器的主要做用

2.1 運算器主要部件

如上圖，運算器裏最重要的部件是ALU，中文叫算術邏輯單元，用來進行算術和邏輯運算的。其它的MQ,ACC這些咱們不用管了，是一些寄存器。

2.2 控制器主要部件

控制器中最重要的部件是CU（控制單元），只要是分析指令，給出控制信號。

IR（指令寄存器），存放當前須要執行的指令

PC存放的指令的地址。

2.3 舉例 - 取數指令執行過程

首先，是取指令的過程以下

• 第一步，PC，也就是存放指令地址的地方，咱們要知道下一條指令是什麼，就必須去存儲器拿，CPU才知道接下來作什麼。PC去了存儲器的MAR拿要執行的指令地址，MAR（存儲器裏專門存指令地址的地方）
• 第二步和第三步，MAR去存儲體內拿到指令以後，將指令地址放入MDR(存儲器裏專門存數據的地方)
• 第四步MDR裏的數據返回到IR裏面，IR是存放指令的地方，咱們把剛纔從存儲體裏拿的指令放在這裏

而後，分析指令，執行指令的過程以下

• 第五步， IR將指令放入CU中，來分析指令，好比說分析出是一個取數指令，接着就要執行指令了（這裏取數指令，其實就是一個地址碼，按着這個地址去存儲體取數據）
• 第六步，第七步 IR就會接着去找存儲體裏的MAR（存儲地址的地方），MAR就根據取數指令裏的地址嗎去存儲體裏去數據
• 第八步，取出的數據返回給MDR（存放數據的地方）
• 第九步，MDR裏的數據放到運算器的寄存器裏，這裏的取指令的過程結束了。

來個插曲，咱們知道數據在內存裏是二進制存着，也就是0和1, 0和1怎麼用表示呢？

咱們拿其中一種存儲0和1的方式來講明

• 電容是否有電荷，有電荷表明1，無電荷表明0
• 以下圖

  

三、計算機編程語言

咱們看看機器語言，怎麼表示存放一個數的指令，例以下圖

咱們來看二進制代碼 0000，0000，000000010000

• 其中第一個0000，表示的是彙編語言裏的LOAD，也就是加載，加載什麼呢
• 加載地址000000010000上的數據到第二個0000（寄存器的位置）。

接下來，咱們看看若是是彙編語言怎麼表示

LOAD A, 16意思是將存儲體內的16號單元數據，放到寄存器地址A中 ADD C, A, B意思是將寄存器裏的A,B數據相加，獲得C STORE C, 17意思是將寄存器裏的數據存到存儲體17號單元內

最後，咱們看看怎麼用高級語言表示

高級語言是否是很簡單，就一個a+b，你都不用去考慮寄存器，存儲體這些事。

這部分的總結

高級語言通常有兩種方式轉換爲機器語言

• 一種是直接藉助編譯器，將高級語言轉換爲二進制代碼，好比c，這樣c運行起來就特別快，由於編譯後是機器語言，直接就能在系統上跑，但問題是，編譯的速度可能會比較慢。
• 一種是解釋性的，好比 js，是將代碼翻譯一行成機器語言（中間可能會先翻譯爲彙編代碼或者字節碼），解釋一行，執行一行

須要注意的是，按照第一種將大量的高級代碼翻譯爲機器語言，這其中就有很大的空間給編譯器作代碼優化，解釋性語言就很難作這種優化，可是在v8引擎中，js仍是要被優化的，在編譯階段（代碼分編譯和執行兩個階段）會對代碼作一些優化，編譯後當即執行的方式一般被稱爲 JIT (Just In Time) Comipler。

四、進制轉換

接下來4.3這個小節會解釋爲何0.1 + 0.2 等於0.3

4.1 二進制如何轉化爲十進制

例如2進制101.1如何轉化爲10進制。（有些同窗以爲能夠用parseInt('101.1', 2)，這個是不行的，由於parseInt返回整數）

轉化方法以下：

上圖的規則是什麼呢？

二進制的每一個數去乘以2的相應次方,注意小數點後是乘以它的負相應次方。 再舉一個例子你就明白了，

二進制1101轉爲十進制

4.2 十進制整數轉爲二進制

JS裏面能夠用toString(2)這個方法來轉換。若是要用通用的方法，例如：將十進制數（29）轉換成二進制數， 算法以下：

• 把給定的十進制數29除以2，商爲14，所得的餘數1是二進制數的最低位的數碼
• 再將14除以2，商爲7，餘數爲0
• 再將7除以2，商爲3，餘數爲1，再將3除以2，商爲1，餘數爲1
• 再將1除以2，商爲0，餘數爲1是二進制數的最高位的數碼

其結果爲：11101

4.3 十進制小數轉爲二進制

方式是採用「乘2取整，順序排列」法。具體作法是：

• 用2乘十進制小數，能夠獲得積，將積的整數部分取出-
• 再用2乘餘下的小數部分，又獲得一個積，再將積的整數部分取出-
• 如此進行，直到積中的小數部分爲零，或者達到所要求的精度爲止

咱們具體舉一個例子

如: 十進制 0.25 轉爲二進制

• 0.25 * 2 = 0.5 取出整數部分：0

• 0.5 * 2 = 1.0 取出整數部分1

即十進制0.25的二進制爲 0.01 ( 第一次所獲得爲最高位,最後一次獲得爲最低位)

此時咱們能夠試試十進制0.1和0.2如何轉爲二進制

0.1(十進制) = 0.0001100110011001(二進制)
十進制數0.1轉二進制計算過程：
0.1*2＝0.2……0——整數部分爲「0」。整數部分「0」清零後爲「0」，用「0.2」接着計算。
0.2*2＝0.4……0——整數部分爲「0」。整數部分「0」清零後爲「0」，用「0.4」接着計算。
0.4*2＝0.8……0——整數部分爲「0」。整數部分「0」清零後爲「0」，用「0.8」接着計算。
0.8*2＝1.6……1——整數部分爲「1」。整數部分「1」清零後爲「0」，用「0.6」接着計算。
0.6*2＝1.2……1——整數部分爲「1」。整數部分「1」清零後爲「0」，用「0.2」接着計算。
0.2*2＝0.4……0——整數部分爲「0」。整數部分「0」清零後爲「0」，用「0.4」接着計算。
0.4*2＝0.8……0——整數部分爲「0」。整數部分「0」清零後爲「0」，用「0.8」接着計算。
0.8*2＝1.6……1——整數部分爲「1」。整數部分「1」清零後爲「0」，用「0.6」接着計算。
0.6*2＝1.2……1——整數部分爲「1」。整數部分「1」清零後爲「0」，用「0.2」接着計算。
0.2*2＝0.4……0——整數部分爲「0」。整數部分「0」清零後爲「0」，用「0.4」接着計算。
0.4*2＝0.8……0——整數部分爲「0」。整數部分「0」清零後爲「0」，用「0.2」接着計算。
0.8*2＝1.6……1——整數部分爲「1」。整數部分「1」清零後爲「0」，用「0.2」接着計算。
……
……
因此，獲得的整數依次是：「0」，「0」，「0」，「1」，「1」，「0」，「0」，「1」，「1」，「0」，「0」，「1」……。
由此，你們確定能看出來，整數部分出現了無限循環。
複製代碼

接下來看0.2

0.2化二進制是
0.2*2=0.4,整數位爲0
0.4*2=0.8,整數位爲0
0.8*2=1.6,整數位爲1,去掉整數位得0.6
0.6*2=1.2,整數位爲1,去掉整數位得0.2
0.2*2=0.4,整數位爲0
0.4*2=0.8.整數位爲0
就這樣推下去！小數*2整,一直下去就行
這個數整不斷
0.0011001
複製代碼

因此0.1和0.2都沒法完美轉化位二進制，因此它們相加固然不是0.3了

五、定點數和浮點數

首先，什麼是定點數呢？

5.1 定點數

如上圖，舉例純整數的二進制1011和-1011，若是是整數，符號位用0表示，若是是負數符號爲用1表示

同理，純小數表示舉例以下：

那若是不是純小數或者純整數，該怎麼表示呢？

好比10.1, 能夠乘以一個比例因子，將10.1 ---> 101 比例因子是10, 或者10.1 ---> 0.101比例因子是100

定點數很簡單，接下來咱們介紹浮點數，再JS裏面，數字都是用雙精度的浮點數，因此學習浮點數對咱們理解JS的數字有幫助。

5.2 浮點數

浮點數怎麼表示呢？

上面是十進制的科學計數法，從中咱們須要瞭解幾個概念，一個是尾數，基數和階碼

• 尾數必須是純小數，因此上圖中1.2345不知足尾數的格式，須要改爲0.12345
• 基數，在二進制裏面是2
• 階碼就是多少次方

因此浮點數的通用表示格式以下：

• S表明尾數
• r表明基數
• j表明階碼

這裏須要注意的是，浮點數的加減運算，並非像咱們上面介紹的那樣簡單，會通過如下幾個步驟完成

這些名詞你們感興趣的話，能夠去網上查詢，咱們只要瞭解到浮點數加減運算很麻煩就好了，但若是你要作一個浮點數運算的庫，你確定是要徹底掌握的。

六、局部性原理和catche(緩存)

先看下圖

（說明一下，MDR和MAR雖然邏輯上屬於主存，可是在電路實現的時候，MDR和MAR離CPU比較近）

上圖是在執行一串代碼,能夠理解位js的for循環

const n = 1000;
const a = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
for(let i =0; i < n; i++) {
    a[i] = a[i] + 2
}
複製代碼

咱們能夠發現

• 數組的數據有時候在內存是連續存儲的
• 若是咱們要取數據，好比從內存取出a[0]的數據須要1000ns(ns是納秒的意思),那麼取出a[0]到a[7]就須要1000 * 8 = 8000 ns
• 若是咱們cpu發現這是取數組數據，那麼我就把就近的數據塊a[0]到a[7]所有存到緩存上多好，這樣只須要取一次數據，消耗1000ns

cahce就是局部性原理的一個應用

• 空間局部性：在最近的將來要用到的信息（指令和數據），極可能與如今正在使用的信息在存儲空間上是鄰近的
• 時間局部性：在最近的將來要用到的信息，極可能是如今正在使用的信息

能夠看到cache一次性取了a[0]到a[9]存儲體上的數據，只須要1000ns，由於Cache是高速存儲器，跟cpu交互速度就比cpu跟主存交互速度快不少。

接下里，進入最後一節(略過對總線知識的學習)，I/O設備的演變

七、I/O設備的演變

I/O是什麼呢？

輸入/輸出（Input /Output ,簡稱I/O），指的是一切操做、程序或設備與計算機之間發生的數據傳輸過程。
複製代碼

好比文件讀寫操做，就是典型的I/O操做。接下來咱們看一下I/O設備的演進過程

在早期的計算機裏， cpu如何知道 I/O設備已經完成任務呢?好比說怎麼知道 I/O設備已經讀取完一個文件的數據呢? CPU會不斷查詢 I/O設備是否已經準備好。這時， cpu就處於等待狀態。也就是 cpu工做的時候， I/O系統是不工做的， I/O系統工做， cpu是不工做。

接着看第二階段

• 爲了解決第一階段CPU要等待I/O設備，串行的工做方式，全部I/O設備經過I/O總線來跟CPU打交道，一旦某個I/O設備完成任務，就會以中斷請求的方式，經過I/O總線，告訴CPU，我已經準備好了。

• 可是對於高速外設，它們完成任務的速度很快，因此會頻繁中斷CPU, 爲了解決這個問題，高速外設跟主存之間用一條直接數據通路，DMA總線鏈接，CPU只須要安排開始高速外設作什麼，剩下的就不用管了，這樣就能夠防止頻繁中斷CPU。

最後來看一下第三階段

第三階段，CPU經過通道控制部件來管理I/O設備，CPU不須要幫它安排任務，只須要簡單的發出啓動和中止相似的命令，通道部件就會自動的安排相應的I/O設備工做

本文完結，但願你們點個贊，比心💗。