前言

今天我们将进入到JavaEE的学习当中，此内容是有关计算机组成原理的有关内容，是针对计算机底层的原理进行学习，所以比之前JavaSE的学习更加困难，我们应该打起100的精神进行学习，一起进步！！！

一、计算机发展历史

人类历史上很多发明的东西，其最早的目的就是为了 "军事"

计算机诞生于 "普林斯顿大学"，发明者是约翰·冯·诺依曼；最初计算机的诞生，是用来计算 "弹道导弹" 的轨迹

计算机硬件的发展过程：

第一代：电子管计算机
第二代：晶体管计算机
第三代：中小规模集成电路计算机
第四代：大规模和超大规模集成电路计算机
第五代：人工智能和大数据云服务的结合

二、冯诺依曼体系

存储器：分为内存和外存

那么，内存和外存到底有哪些区别呢？

1.从存储空间上来看，内存空间一般要小于外存空间
2.从访问速度上来看，访问内存的速度要比访问外存的速度快上3~4个数量级，要快上几千上万倍
3.内存所需要的成本要更高，一个非常大的内存，需要超超超超级氪金玩家才会用得起
4.对于内存来说，断电就会导致数据的丢失；对于外存来说，断电数据仍然不丢失（因此就引出了数据 "持久化"存储，即把数据存储到外存（硬盘）里面）

输入设备：

输入设备主要有：键盘、鼠标、麦克风、摄像头......

它们都可以把外界的信息采集进来，传输到计算机里面

输出设备：

输出设备主要就是用来给用户反馈一下信息的效果，

比如说，显示器、音箱......都是输出设备

不过需要注意的是，输入设备和输出设备不是严格意义上的分隔开的，

有的设备就是既是输入设备，又是输出设备。

比如说，戳摸屏（如手机上的触摸屏，既可以用来去看，又可以用来去摸）

比如说，网卡（上网的时候，通过网卡，既可以接收别人发过来的数据，又可以把自己想要发送的数据发送过去）

CPU：

中文名 "中央处理器"，主要由 "运算器"和"控制器"组成

其中，控制器的功能是控制计算机各部分协调工作,运算器则是负责计算机的算术运算和逻辑运算

一台计算机，能够运行程序，能够进行算术运算，能够进行逻辑判断，全部都是靠 CPU

CPU 就相当于是计算机的大脑，是当前人类科技水平的巅峰之作

CPU特别特别重要，据说比氢弹还牛掰（据说全世界只有两个国家才可以制造出 CPU）

注意：

显卡和 CPU 本质上没有啥区别，

主要就是 CPU叫做通用计算芯片，应对各种计算场景；

而显卡叫做专用计算芯片，特别擅长计算大规模浮点数，尤其是矩阵计算，运算量贼大（当然，这个CPU也可以做到，但是CPU可以做到的事情，显卡不一定可以做到），尤其是在游戏领域~~

可以类比于，CPU类似于大学生，学的东西可多啦；

而显卡类似于小学生，只会算 1+1；而大学生也可以算 1+1哇

但是邀请小学生的代价低啊（即便有许多许多个小学生也可能会低于一个大学生）

所以说，显卡本质上也是 CPU，只不过这个 CPU 只是专门算浮点运算的

三、CPU

3.1 浅谈CPU

CPU本质上是一系列的 "门电路" 来构成的

而所谓的 "门电路"，就是最基本的 "与门"、"或门"、"非门" 等等门电路

在这里先不做过多解释，感兴趣的铁铁们可以去看看关于数电、模电之类的书籍......

通过门电路，我们可以得到加法器来算出加法了，之后也可以算减法（补码存在的意义，就是是用加法来代替减法）；再进一步，也可以算出乘法和除法了

也就是说，通过这些门电路，就构造出了计算单元

除此之外，还能够造出控制单元，也可以构造处存储单元

这些基本的组件，就够造成了完整的 CPU

所以说，为啥我们认为 CPU 里面的制程越小越好？

——一个 CPU 芯片的面积是固定的，如果制程越小，单个门电路的体积就越小，整个 CPU 上面能够搭载的门电路数量就越多；数量越多，说明 CPU 上面的功能模块就越多，算的就越快（俗称人多力量大）

说明：虽然我们希望它越小越好，但是也不能无限小（从物理角度上来说，现有科技在量子领域中还有很长的路要走）

3.2 寄存器

寄存器也是用来存储数据的一个组件，和内存（主储存器）都是属于储存器，除此之外，还包括外存（硬盘，磁盘等）

功能和内存都差不多，都是存储数据，都是断电就消失

只不过寄存器不是单独的硬件设备，而是长在 CPU 上的一个部件;换句话说， CPU 自身也有一定的数据存储能力

相比于内存来说，寄存器与它是有一定的区别的：

储存空间更小（内存可以有几十个G，而寄存器一般就是几百个字节，最多只有几K）
访问速度更快（比内存又快了 3~4 个数量级）

寄存器搞这么小，是因为成本就比内存还要高出很多很多

现在，寄存器所起到的效果，就是用来辅助程序运行，存储程序运行中产生的一些中间结果

举例解释说明：

比如说，想计算一个 10+20，

就需要：

从内存中读取 10 到寄存器A中
从内存中读取 20 到寄存器B中
执行相加指令，把两个寄存器相加的值，保存到寄存器A（或寄存器B）中
把寄存器A（或寄存器B）中的值写回内存
CPU 的计算是针对寄存器中的值进行的；

3.3 指令

定义：

什么是指令？

简单的来说，指令就是人给计算机发布的命令

不过，计算机要想好好干活，那么程序员就需要把计算机所要干的活指定清楚、明确无歧义

而程序员指定计算机干啥活的过程就叫做 "编程"，换句话说，程序员所写好的程序，里面就包含了许多的 "指令

说明：

人写的 Java、C/C++ 这样的编程语言构成的代码（相对于来说更接近自然语言），

计算机并不认识，计算机所认识的是二进制的指令，

因此就会有这样一个环节，把人写的代码（高级语言）翻译成计算机所能识别的指令（机器语言），这个翻译的过程，就叫做编译；完成这个编译工作的程序，就叫做编译器；

那么，指令究竟是长什么样的呢？

上面的 "指令表"中的指令是一个极简版本，实际上计算机（CPU）上面支持的指令很多

内存地址：把内存进行了编号

把内存想象成宿舍楼的大走廊，每个房间都有编号，按照一定的顺序依次往下累加，

而内存是从0开始依次往下累加的，这个房间号，就是内存的地址

3.4 CPU的操作流程

这个表表示内存中的一个片段，每一个内存地址里存的都是一个指令

每一个指令都是按照上述 "指令表" 来展开的

接下来指令加载到内存之后，CPU就可以执行程序了

（1）CPU 先从内存中读取指令

从哪个地址开始读？

在 CPU 里有一个特殊的寄存器，叫做 "程序计数器"，也称为 "PC指针"

实际上在 x86_32 CPU 叫做 eip寄存器

程序计数器中就包含了一个 "地址"，表示接下来要读哪个内存里的指令

（程序计数器就像书签一样，书签往书里面一夹，就知道书已经读到哪里了）

程序一启动的时候，程序计数器一般就会有一个初始值，就会从程序的入口代码开始读取指令了

初始情况下，如上表就会读到地址是 0 的数据 0010 1110

（2）解析指令

读取指令之后，就需要解析指令了

对照前面的 "指令表" 来看，0010 1110 是啥意思

按照上述设定，每个指令是 8 bit，包含两个部分：

前 4 bit 是指令的操作码（opcode），指令要干啥

后 4 bit 是操作数，不同的指令操作数不一样

对照前面的 "指令表" 可以知道，0010是LOAD_A，1110是要读的内存地址，

所以它的意思是：从 1110 这个地址里读一个字节到 A 寄存器中

（3）执行指令

二进制1110 翻译成十进制就是 14 ，可以观察上表，发现地址是14的数据为 0000 0011，也就是十进制的3

于是，就向寄存器A 放了一个3

此时，执行完第一条指令以后，程序计数器就会累加，从一开始的 0 变成了 1，执行下一条指令（地址是1，数据是 0001 1111）

这就是CPU基本的工作过程：读取指令、解析指令、执行指令

但是，虽然看起来好像是 CPU先读一条指令，解析指令，执行指令；再读下一条指令，......

可是实际上并不是这样，反而是类似于 "流水线" 的方式执行的：

这种方式禁止摸鱼！！！

这样的设计主要的目的是：可以提高程序的执行效率，可以保证各单位都在满负荷工作

3.5 时钟周期

前面所说过，CPU 是按照 "流水线" 的方式来执行的

如果要想这几个流水线之间可以相互协同工作、有节奏的配合的话；那就需要："时钟周期" 来进行帮助

举例说明：

类似于拔河比赛，除了有运动员使劲拽绳子，还需要有一个人喊口号：需要让运动员们力气向着一处使

而这个喊口号的人就相当于是时钟周期

如上图所示，当前我使用的电脑的主频是 2.10GHz，也可以看作当前电脑 CPU 1秒钟就有 2.10亿个时钟周期

其实，每一个指令的执行都需要消耗几个时钟周期的，但是在流水线的生产环境下，可以简单的视为一个指令消耗了一个时钟周期

四、编程语言

机器语言：

又称为二进制代码语言，需要程序员来记忆每一条指令的代码

但是，在这种情况下，效率贼低

可是，机器语言却是计算机唯一可识别和执行的语言

高级语言：

虽然汇编语言降低了程序员的记忆成本，但是仍然要求程序员必须掌握计算机硬件的所有知识

但是，随着计算机的厂商越来越多，一次编写的程序往往只适用于一类计算机

但是这仍然不够，所以更高级的语言诞生了（如 C/C++，Java 等等），屏蔽了各种细节，程序员可以站在更高的层面上思考自己的业务

汇编语言：

为了提升编程的效率，最早创造了汇编语言的概念

汇编语言就是用英文单词或者其缩写代替二进制的代码，使人们更容易记忆和理解

其实，汇编语言和机器语言（也就是指令）是一一对应的，只是相对于0、1这些数字，发明了一些帮助人类理解和记忆的符号将其对应起来，也就是上面的类似于LOAD_A，LOAD_B等等

程序员完成编译之后，需要使用汇编器将汇编语言翻译成机器语言，以便计算机可以识别和执行

总结来说，我们所写的代码都会被编译器转换成许多条 CPU 可以识别的机器语言指令，CPU 执行这些指令以后，实现程序的功能