计算机专业课系列之一：漫谈计算机组成原理和编程语言

一，冯诺伊曼结构的计算机
1，计算机的五大组成部分
 运算器 + 控制器（CPU）,存储器（内存+硬盘），输出设备（显示器），输入设备（鼠标和键盘）。
2，数据和指令以二进制形式，不加区别的存放在存储器中。
数据和指令存储在一块，存储在一个存储器中是风诺伊曼结构的重要标志

3，冯诺伊曼结构的计算机的工做原理

内存是一个线性结构，而且内存是有地址的。注意数据和指令是不分的，他们都在一个内存中。

好比，如今要把100和200加起来，那么计算机是如何工做的呢？

第一条指令：MOVE [1000]  EAX ，表示把地址为1000处的数据放到寄存器中(EAX)

第二条指令：MOVE [1004]  EAX ，表示把地址为1004处的数据放到寄存器中(EBX)

cpu先执行第一条指令，把100放到寄存器中。而后再执行第二条指令，把200放到寄存器中。

第三条指令：ADD  EAX EBX

最后cpu执行第三条指令，把两个寄存器中的值加起来，放到EBX中。

4，计算机各个部件是怎么链接起来的？

 

南桥--北桥：上面的I/O桥就是对南桥和北桥的抽象

5，指令和流水线

5.1，指令分为：

单操做数指令，好比加1操做

两个操做数指令，好比 MOV [1000] AX

三个操做数指令,很是少

 

5.2，cpu执行指令是按照流水线的思想来执行的。cpu的一条指令在执行中分为不少步骤。以三步为例：

取指令：从内存中把指令取出来

译码：看看这条指令是作什么的

执行：执行指令

cpu为了作这三件事，分为三个部件。一个部件负责取指令，一个部件负责译码，一个部件负责执行指令。

 

因此在执行其中一个步骤时，其余两个步骤也没有闲着，能够作本身对应的操做。这样大大提升了cpu的效率。

好比第一条指令执行到 执行这个步骤时，cpu还能够执行第二条指令的译码工做。

5.3，速度对比

内存访问速度比cpu执行速度慢几百倍，传统磁盘IO访问速度比cpu执行速度慢几十万倍。网络比cpu慢千万倍。速度不匹配问题是计算机的核心问题。

 

6，如何解决速度不匹配问题？

方案一：提高硬盘等设备的速度，和cpu匹配  ----  现阶段不可能

方案二：认可局限，但充分压榨cpu的能力。思路以下：

　　同步 ---->异步

　　顺序 ---->并发

　　增长中间层（缓存）

 

6.1，异步实例

 

 

6.2，顺序和并发

顺序：一个时间只能执行一个程序。

并发：经过时间片分配的形式，把cpu分为若干个时间片，让多个程序在一个cpu上分时运行。操做系统负责切换。切换时间片的时间很是短，形成程序并发执行的假象。（这里假定只有一个cpu，多个程序在一个cpu上轮换执行）。

注意：这里是并发，只有一个cpu。因为时间片很是短，看起来是同时执行的。若是有多个cpu，那就是并行了。

 

并发的实现：时间片的切换

 

补充：并行

对于多核cpu，多核是每一个核都对应一个线程，因此多核就能够同时执行多个线程。那么并行是真的有多个指令在同时执行了。

程序中的一行代码，编译成汇编语言可能就有多条指令了，好比 i = i+1 ;执行的时候会有多条指令，这多条指令若是在多线程状况下没有协调好，执行时可能就会出错。

 

 6.3，增长中间层--缓存

时间局部性原理 和 空间局部性原理

 

解决了速度不匹配的问题。

cpu有一级缓存，二级缓存，三级缓存。从缓存中读取比从内存中读取快的多。

 

7，存储器的层次结构

 

二，编程语言

1.解释和编译

解释执行：

　　解释器读入高级语言写的指令，而后解释执行。好比：Basic

编译：

　　使用编译器把高级语言编程目标代码，或者是可执行的程序。好比：C语言，C++

2.虚拟机：解释和编译的混合

Java编译器先把java编译成 .class 文件。而后在各个JVM上解释执行。JVM在每一个平台都有版本。因为28原则的存在，若是JVM发现这个 .class文件常常执行，就编译成本地平台的代码。

3.静态和动态语言

动态语言比较灵活，可是编译器没法检查。小项目适合快速开发

4.程序的基本逻辑结构

 这三种结构理论上能够表达一切计算机程序。

 5.编译- 把高级语言变成低级语言

例子：pasic语言代码

第一步：词法分析

第二步：语法分析

 

第三步：语义分析

 

第四步：代码生成

 

 7，递归

左边是迭代的代码，右边是递归

理解：

 

改进：尾递归