1、計算機原理前世此生

計算機，言外之意，最初人民設計出來它的時候就是爲了解決「計算calculation」的事情，而除了最先期的的算盤之外，最先的是在美國的一次人口普查用的，公元1880年，美國舉行了一次全國性人口普查，爲當時5000餘萬的美國人口登記造冊。當時美國經濟正處於迅速發展的階段，人口流動十分頻繁；再加上普查的項目繁多，統計手段落後，從當年1月開始的此次普查，花了7年半的時間才把數據處理完畢。也就是說，直到快進行第二次人口普查時，美國政府才能得知第一次人口普查期間全國人口的情況。

直到有一位叫「霍列瑞斯」的人，發明了「打孔製表機」，把穿孔紙帶改形成穿孔卡片，因爲每一個人的調查數據有若干不一樣的項目，如性別、籍貫、年齡等等。霍列瑞斯把每一個人全部的調查項目依次排列於一張卡片，而後根據調查結果在相應項目的位置上打孔。例如，穿孔卡片「性別」欄目下，有「男」和「女」兩個選項；「年齡」欄目下有從「0歲」到「70歲以上」等系列選項，具體實現是怎麼樣的呢，讓咱們來了解下：

他的設備核心思想就是用機械來代替人工計數，上面咱們講到了用卡片上的孔來表明某一項的數據，如圖所示，當卡片插入機器時，機器上的小金屬針就會到卡片上，若是某個地方有打孔，那麼小金屬針就會穿過，注入一小瓶汞，聯通電路，電路會驅動電機，給某個選項的齒輪+1。這樣就用自動的電動機械行爲代替了手工運算。當時這類機器的效率是人工運算的10倍。要知道，這個數量級的提高在當時是很是有意義的，也就是說原本一次人工普查的耗時7年，如今減小到不到一年。

 

隨着時代的發現和計算需求的逐漸增大，人民須要計算力更強的機器，打孔的本質其實也是區分0和1，所以人民發現有沒有更快的方式去去分，這樣「繼電器」就產生了，如圖，當電流流過線圈，線圈產生電磁場，吸引金屬臂，從而閉合電路。這個電路能夠連到其餘電路，好比馬達，馬達會讓計數齒輪+1，相似於上面的打孔製表機。這類型的計算機表明就是哈佛馬克系列。

 

 

不幸的是，繼電器的質量太大，致使開關的速度也不夠快，當時最好的繼電，1秒也就翻轉40次左右。另外，這些繼電器組成的龐大的電路，工做時會發出較高的溫度。而正因爲這些溫度會吸引昆蟲。1947年，哈佛馬克2型出現了一次重大故障，最後查到緣由就是有一隻「死蟲」把其中的繼電器卡住了。所以咱們今天計算機故障都叫「bug」！

正是因爲以上的缺陷，因此咱們又得想更加先進的模式去取代它！中間經歷過真空管，直到1947年，貝爾實驗室科學家發明了晶體管，一個全新的計算機時代誕生了！晶體管的物理學原理有興趣的同窗能夠本身深刻理解下，涉及到物理學和量子力學。咱們只講用於計算機的原理及基礎。

晶體管有兩個電極，咱們稱之爲發射機和集電集。電極之間有一種材料隔開它們，這種材料有時候導電，有時候不導電（這叫半導體），控制線連到一個「門」電極，經過改變基級的電荷，咱們能夠控制半導體材料的導電性，來容許電流流動獲不流動。就實現了和以前真空管、繼電器同樣的功能。

 

======================①因此到這裏爲止，咱們終於知道了最佳的用於控制0和1的個體元素。====================【因此說計算機就是由晶體管組成的，下面會講到cpu的三大部件，其實核心本質都是各類晶體管組成的邏輯電路！】

接下來咱們就用晶體管組成各種邏輯電路，下面是最簡單的一個and電路（「與」門），用兩個晶體管能夠組成，兩個輸入一個輸出，只有兩個輸入都是1的時候，輸出才爲1，不然任何一個輸入不爲1，結果就不成立：

 

 

 而同理，咱們能夠組成或門、非門、或非門。而後這些基礎門再組成龐大的電路來處理複雜的運算。下面組成了一個「半加器」

而利用「半加器」又能夠組裝成「全加器」（有進位的加法器）【這些都是「數字邏輯電路」這門課中講到的原理，有興趣的同窗能夠自行深刻了解！】

最先的因特爾74181處理器打工用了70個邏輯門，但不能執行乘除，具體的邏輯電路結構以下：

 

 

======================②到這裏爲止，已經把計算機中的ALU（cpu三大部件之一）講清楚了。============================

寄存器，也是由晶體管組成的，看如下兩個電路，第一個電路，開始的時候A、B輸入都爲1，那麼輸出也爲1，若是以後A設爲0，因爲是AND門，輸出會變成0，不管後面輸入變成什麼，output一直爲0.所以，這個電路能記錄0；

 同理下面這個電路能夠記錄1

 

 如今有了能記錄0和1的電路，咱們把它們組合起來，變成AND-OR鎖存器，它有兩個輸入，「設置」輸入，把輸出能夠變成1，「復位」輸入

，把輸出能夠變成0。若是「設置」和「復位」都是0，電路會輸出最後放入的內容。（你們能夠本身模擬試如下，只要復位不爲1，輸出就永遠是上一次的輸入！）也就是說，它存住了1bit的信息，這就是傳說中的內存原理！！！

 

 

 

 ======================到這裏爲止，已經把計算機中的寄存器（cpu三大部件之一）講清楚了。============================

 

 cpu控制器由兩個階段組成，第一個階段就是「取指令階段」，第二個階段是「解嗎階段」，這兩種都是經過電路鏈接解決。這部分用視頻過程演示能夠會更清楚，文字的描述篇幅太大了（具體過程能夠參考視頻講解，關注微信公衆號後，直接發信息便可，我會把視頻連接發給你們）。 

 ======================到這裏爲止，已經把計算機中的控制器（cpu三大部件之一）講清楚了。============================

剩下的就是執行程序了，有好多好多程序語言，最本質的原理無非是每個程序指令會和機器碼對應，而計算機也保存着這份對應關係。以便用做解碼用。

而最終程序也是放在存儲中，讓cpu控制器去取了，而後逐條執行完成計算。這樣就是cpu最簡單的工做模型。

總結下，計算機核心部件以下，而cpu內部包括內存都是由晶體管組成的，其實就看咱們如何去作咱們的集成電路！

 

能夠關注公衆號「python三人行」，咱們會按期分享討論數據、架構、算法以及計算機或操做系統底層原理，歡迎參與！

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---恢復內容開始---

【1】什麼是操做系統？

「操做系統是管理計算機硬件與軟件資源的計算機程序，同時也是計算機系統的內核與基石。操做系統須要處理如管理與配置內存、決定系統資源供需的優先次序、控制輸入設備與輸出設備、操做網絡與管理文件系統等基本事務。操做系統也提供一個讓用戶與系統交互的操做界面。」------這個是百度百科的解釋

其實最簡單的理解就是一個程序，一通電第一個啓動的程序，包含了shell和kernel兩個模塊，shell對接其餘應用程序，也就是用戶；而kernel對接硬件，這裏硬件包含了計算機的底層硬件，另外還有一些外設（包括鍵盤、鼠標等）

計算機底層硬件其實最主要由三部分構成：CPU、內存和磁盤，其中CPU和內存都是由三極管構成的（此部分若是想深刻了解能夠看計算機原理，或聯繫樓主微信allenforu，我這邊有快速理解的視頻資料可分享，這裏不展開來說）

所以操做系統爲了管控其餘各種的應用程序，它有特殊的權限，它的最重要的做用就是把實際的CPU、磁盤、內存分佈抽象成進程、文件、地址空間。因此操做系統是一個很是複雜的軟件，像window操做系統一共有4500萬行的代碼

因此通常人不可能讀完全部源碼，咱們讀懂其中本身關心的一部分已是很不錯了！

 

上面說到操做系統是一通電第一個啓動的程序，所以咱們來看下啓動的過程及原理：

DISK：存放OS

BIOS：基本I/O處理系統

芯片裏的電路結構會把CS設置爲0xFFFF，IP設置爲0x0000，這樣組成的地址就是0xFFFF0，而這個就是BIOS的入口地址，所以通電之後第一時間，CPU讀取這個地址的代碼。而後BIOS去讀取放在磁盤裏的OS，這樣OS就被運行起來了！

操做系統的三種：

1）中斷：外設

2）異常：應用程序意想不到的行爲

3）系統調用：應用程序請求操做提供服務

 

 

 

【2】

 

---恢復內容結束---