計算機專業課系列之一：漫談計算機組成原理和編程語言

一，馮諾伊曼結構的計算機
1，計算機的五大組成部分
 運算器 + 控制器（CPU）,存儲器（內存+硬盤），輸出設備（顯示器），輸入設備（鼠標和鍵盤）。
2，數據和指令以二進制形式，不加區別的存放在存儲器中。
數據和指令存儲在一塊，存儲在一個存儲器中是風諾伊曼結構的重要標誌

3，馮諾伊曼結構的計算機的工做原理

內存是一個線性結構，而且內存是有地址的。注意數據和指令是不分的，他們都在一個內存中。

好比，如今要把100和200加起來，那麼計算機是如何工做的呢？

第一條指令：MOVE [1000]  EAX ，表示把地址爲1000處的數據放到寄存器中(EAX)

第二條指令：MOVE [1004]  EAX ，表示把地址爲1004處的數據放到寄存器中(EBX)

cpu先執行第一條指令，把100放到寄存器中。而後再執行第二條指令，把200放到寄存器中。

第三條指令：ADD  EAX EBX

最後cpu執行第三條指令，把兩個寄存器中的值加起來，放到EBX中。

4，計算機各個部件是怎麼鏈接起來的？

 

南橋--北橋：上面的I/O橋就是對南橋和北橋的抽象

5，指令和流水線

5.1，指令分爲：

單操做數指令，好比加1操做

兩個操做數指令，好比 MOV [1000] AX

三個操做數指令,很是少

 

5.2，cpu執行指令是按照流水線的思想來執行的。cpu的一條指令在執行中分爲不少步驟。以三步爲例：

取指令：從內存中把指令取出來

譯碼：看看這條指令是作什麼的

執行：執行指令

cpu爲了作這三件事，分爲三個部件。一個部件負責取指令，一個部件負責譯碼，一個部件負責執行指令。

 

因此在執行其中一個步驟時，其餘兩個步驟也沒有閒着，能夠作本身對應的操做。這樣大大提升了cpu的效率。

好比第一條指令執行到 執行這個步驟時，cpu還能夠執行第二條指令的譯碼工做。

5.3，速度對比

內存訪問速度比cpu執行速度慢幾百倍，傳統磁盤IO訪問速度比cpu執行速度慢幾十萬倍。網絡比cpu慢千萬倍。速度不匹配問題是計算機的核心問題。

 

6，如何解決速度不匹配問題？

方案一：提高硬盤等設備的速度，和cpu匹配  ----  現階段不可能

方案二：認可侷限，但充分壓榨cpu的能力。思路以下：

　　同步 ---->異步

　　順序 ---->併發

　　增長中間層（緩存）

 

6.1，異步實例

 

 

6.2，順序和併發

順序：一個時間只能執行一個程序。

併發：經過時間片分配的形式，把cpu分爲若干個時間片，讓多個程序在一個cpu上分時運行。操做系統負責切換。切換時間片的時間很是短，形成程序併發執行的假象。（這裏假定只有一個cpu，多個程序在一個cpu上輪換執行）。

注意：這裏是併發，只有一個cpu。因爲時間片很是短，看起來是同時執行的。若是有多個cpu，那就是並行了。

 

併發的實現：時間片的切換

 

補充：並行

對於多核cpu，多核是每一個核都對應一個線程，因此多核就能夠同時執行多個線程。那麼並行是真的有多個指令在同時執行了。

程序中的一行代碼，編譯成彙編語言可能就有多條指令了，好比 i = i+1 ;執行的時候會有多條指令，這多條指令若是在多線程狀況下沒有協調好，執行時可能就會出錯。

 

 6.3，增長中間層--緩存

時間局部性原理 和 空間局部性原理

 

解決了速度不匹配的問題。

cpu有一級緩存，二級緩存，三級緩存。從緩存中讀取比從內存中讀取快的多。

 

7，存儲器的層次結構

 

二，編程語言

1.解釋和編譯

解釋執行：

　　解釋器讀入高級語言寫的指令，而後解釋執行。好比：Basic

編譯：

　　使用編譯器把高級語言編程目標代碼，或者是可執行的程序。好比：C語言，C++

2.虛擬機：解釋和編譯的混合

Java編譯器先把java編譯成 .class 文件。而後在各個JVM上解釋執行。JVM在每一個平臺都有版本。因爲28原則的存在，若是JVM發現這個 .class文件常常執行，就編譯成本地平臺的代碼。

3.靜態和動態語言

動態語言比較靈活，可是編譯器沒法檢查。小項目適合快速開發

4.程序的基本邏輯結構

 這三種結構理論上能夠表達一切計算機程序。

 5.編譯- 把高級語言變成低級語言

例子：pasic語言代碼

第一步：詞法分析

第二步：語法分析

 

第三步：語義分析

 

第四步：代碼生成

 

 7，遞歸

左邊是迭代的代碼，右邊是遞歸

理解：

 

改進：尾遞歸