計算機是怎樣跑起來的

一直對「程序如何在計算機中跑起來的」很感興趣，也看過一些相關的書籍和文章，前段時間在多看閱讀上看到一本相關的書，用了幾天時間看完後，以爲很不錯，用簡單易懂的語言，圍繞計算機是怎樣跑起來的，把相關的知識串起來，雖然每塊講的都很淺，但使人印象深入。

書的做者是日本的矢澤久雄，做者那個年代，計算機仍是8比特微型計算機，面對爲數很少的技術，能夠從容地把時間花在學習計算機基礎上。但這些基礎知識，即便到了今天也沒有太大變化，即使是面對複雜的最新技術，一旦迴歸到計算機的基礎知識，就會很好理解。

其實不只是計算機，其餘學問亦是如此。首先要劃出一個「知識範圍」，精通一門學問所必知必會的知識都在這個範圍內。其次是掌握該範圍內每一個知識點中基礎中的基礎知識。最後是能獨當一面的目標，即掌握了這些知識能夠作什麼。

下面是個人閱讀筆記，把重點進行概括總結。

計算機的三大原則

計算機是執行輸入、運算、輸出的機器

計算機的硬件是由大量IC組成，每塊IC上帶有不少引腳，這些引腳有的用於輸入，有的用於輸出。IC會在其內部對外部輸入的信息進行運算，把運算結果輸出到外部。

其實計算機就是臺簡單的機器，由於它只能作這三件事。

程序是指令和數據的集合

不管程序多麼複雜，內容都是指令和數據，學習過彙編的應該很清楚。

所謂指令，就是控制計算機進行輸入、運算、輸出的命令。把向計算機發出的指令一條條列出來，就獲得了程序。

數據是指令的對象，編程時，程序員會爲數據賦予名字，稱其爲變量。

計算機的處理方式有時與人的思惟習慣不一樣

用數字表示全部信息，這就是一個很具備表明性的計算機式的處理方法，和人類思惟習慣不同。例如，人們會用藍色之類的詞語描述有關顏色，計算機會使用0,0,255表示藍色。對文字也是同樣，會把文字編碼成相應的數字再作處理。

試着製造一臺計算機

上面提到，計算機內部主要由被稱做集成電路的元件組成，雖然有各類IC，最重要的三種是：CPU、內存、I/O，只要用電路把CPU、內存以及I/O上的引腳相互鏈接起來，爲每塊IC提供電源，再爲CPU提供時鐘信號，硬件上的計算機就組裝起來了。

時鐘信號帶有一個時鐘，滴答滴答地每隔必定時間就變換一次電壓的高低，輸出時鐘信號的元件叫作「時鐘發生器」，裏面帶有晶振，根據其自身的頻率產生時鐘信號。時鐘信號的頻率能夠衡量CPU的運轉速度。

書中選取Z80 CPU做爲CPU，TC5517做爲內存，Z80 PIO做爲I/O爲主要器件，一步一步教咱們如何製做一個微型計算機。書中提供了一個電路圖，我跟着做者的逐步介紹，用彩色筆一步步描畫相應的電路，印象深入。

具體步驟細節我就再也不贅述了，感興趣的能夠閱讀原書，主要總結下令我印象深入的幾個點。

IC與普通電器同樣，只有接通電源才能工做，三大器件都分別帶有Vcc引腳和GND引腳，這一對兒引腳用於爲Vcc引腳供電，將+5V電源鏈接到各個IC的Vcc引腳，將0V電源鏈接到各個IC的GND引腳，時鐘發生器也要鏈接上，這樣接通電源後這些IC和時鐘發生器就能夠工做了。

微信計算機所使用的IC屬於數字IC，每一個引腳上的電壓要麼是0V，要麼是+5V，Vcc和GND引腳上的電壓是恆定不變的，其餘引腳上的電壓，會隨着計算機的操做在+5V和OV質檢不斷變化。

能夠想成0V表示數字0、+5V表示數字1，那麼數字IC就是在用二進制數的形式收發信息。

計算機以CPU爲中心運轉，要與內存和I/O進行數據的輸入輸出，爲了指定輸入輸出數據時的源頭或目的地，CPU上備有「地址總線引腳」。Z80 CPU 地址總線引腳共有16個，所能指定的地址共有2^16，能夠指定65536個數據存取單元。

一旦指定了存取數據的地址，就可使用數據總線引腳進行數據的輸入輸出了。Z80的數據總線引腳有8個， 能夠一次性地輸入輸出8比特的數據，意味着若是想要輸入輸出位數大於8比特的數據，就要以8比特爲單位切分這個數據。

CPU的地址總線引腳和數據總線引腳要與I/O和內存對應的引腳相連。

有一個問題，從上面電路圖能夠看到，Z80 CPU 使用同一組地址總線引腳和數據總線引腳鏈接到了內存和I/O上，CPU如何區分訪問的是內存存儲單元，仍是I/O中的寄存器呢。Z80 CPU上的MREQ和IORQ引腳解決了這個問題，當和內存之間有數據輸入輸出時，MREQ引腳上的值是0，反之是1。

對內存和I/O而言，還要分清CPU是要輸入數據仍是輸出數據，須要用到CPU的RD引腳和WR引腳，與內存和IO對應的引腳鏈接起來。

介紹這麼多，就是讓你們對計算機硬件之間的交互方式有個直觀的認識，程序在這種結構中就能夠跑起來，看到想要的結果。

體驗一次手工彙編

先來描述下實現場景：把由指撥開關輸入的數據輸入CPU，而後CPU再把這些數據原封不動地輸出到LED，也就是說，能夠經過撥動指撥開關控制LED的亮或滅。

使用匯編語言來編程，彙編語言是根據表示指令功能的英語單詞起一個類似的暱稱，並將這個暱稱賦予給0和1的組合，這種英文單詞叫作助記符。

彙編語言的語法很簡單，即把標籤、操做碼、操做數並排寫在一塊兒，標籤的做用爲爲該行代碼對應的內存地址起一個名字，這樣後面能夠直接跳轉到這個地方。操做碼就是表示作什麼，提供了多少操做碼，CPU就有多少功能。操做數表示的是指令執行的對象，CPU的寄存器、內存地址、I/O地址或者直接給出的數字均可以做爲操做數。若是某個指令須要多個操做數，用逗號分割，操做數的個數取決於指令類型。

再來講下寄存器。既然數據的運算是在CPU中進行的，那麼CPU內部就應該有存儲數據的地方，就是寄存器。CPU帶有什麼樣的寄存器取決於CPU的種類。Z80 CPU 所帶有的寄存器以下：

好比，A寄存器叫作累加器，是運算的核心，F寄存器叫作標誌寄存器，用於存儲運算結果的狀態，好比是否發生了進位，數字大小的比較結果等。PC寄存器存儲着指向CPU接下來要執行的指令的地址。操做數必須是已存儲在CPU寄存器中的數字。

好了，下面使用匯編語言實現上面說的場景，主要思路是：設定Z80 PIO，爲每一個端口設定輸入輸出模式，而後與其進行輸入輸出。

// 設置端口(2)爲輸入模式，這樣用括號括起來的數字，表示的是地址編號，207表示通知將要設置輸入輸出模式
LD A,207 //把207寫入到寄存器A
OUT (2),A  //把寄存器A中的數據寫入到IO地址對應的寄存器中
LD A,255 
OUT (2),A

// 設置端口(3)輸入輸出模式
LD A,207
OUT (3),A 
LD A,0
OUT (3),A

// 進入一段死循環，用於把指撥開關輸入的數據輸出到LED燈
LOOP: IN A,(0)
      OUT(1),A
      JP LOOP

複製代碼

知識的範圍

這塊內容包括流程控制、數據結構、算法、面向對象，他們是現代編程的基礎，熟練掌握這些知識，編寫實際業務時就簡單了。這些知識都包含的不少內容，你們也都瞭解，就再也不介紹了。

數據庫和網絡

這塊也比較熟悉，數據庫是數據的基地，方便數據的結構化存儲和檢索，網絡解決了機器之間的數據傳遞，要約定好傳輸協議和數據格式，傳輸過程當中要考慮數據安全問題。

這塊也不過多介紹了，涉及的知識包括MYSQL等數據庫、TCP/IP等網絡協議、數據加密和和簽名、XML可擴展標記語言等。

你們平時工做時，要有意識的累積和思考這些知識，它們是比較穩定的，是其餘知識的基礎，是程序員的內功。

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