Java EE初阶---计算机工作原理

1、冯诺依曼体系（Von Neumann Architecture）

•  CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断.
• 存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)
• 输入设备: 用户给计算机发号施令的设备.
• 输出设备: 计算机个用户汇报结果的设备.

认识计算机的祖师爷 -- 冯诺依曼

冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日）, 美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之一。冯·诺依曼是布达佩斯大学数学博士，在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一，被后人称为“现代计算机之父”、“博弈论之父”.

2、CPU 基本工作流程

2.1 逻辑门

        通过电子开关，我们可以实现 1 位(bit) 的看似无用的逻辑运算，但至少它工作起来了，不是么。怎么使用电子开关组合出真正有用的逻辑组件，我们接来下会做进一步的学习了解。以后的真空管、晶体管的实质也是完成类似的工作，只是物理原理更加复杂。

2.2 门电路(Gate Circuit)

2.3 算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）

 2.4 算术单元(Arithmetic Unit)

        至此，一个 8 位（bits) 加法器就被我们从无到有制作了出来。算术单元支持的操作当然远不止这些，通过继续组合逻辑门，算数单元可以做到加减乘除甚至更多的算术运算，但一个加法器作为演示已经足够了。实际上，乘法器和除法器的制作难度是要高于加、减法器的。

2.5 逻辑单元(Logic Unit)

 2.6 ALU 符号

2.7 寄存器(Register) 和内存(RAM)

        中间我们隐藏了一些实现细节，最后的效果就是：使能线置位时，输入为 1，保存 1；输入为 0，保存0。使能线不置位时，则写入无效。

        内存的构建要比这个复杂一点，但基本原理一致。如此构建的内存被称为 RAM(Random Access Memory)，可以支持 O(1) 时间复杂度访问任意位置的数据，这也就是我们数组下标访问操作是 O(1)的硬件支持。

        期间，为了我们学习的聚焦性，我们隐藏了大量的实现细节，对于这部分知识感兴趣的同学可以在课后做深入的学习。

2.8 控制单元 CU(Control Unit)

        关于 CU 如何由门电路从无到有搭建，我们就进行抽象了，只需要理解 CU 可以驱动 ALU 进行具体的计算工作即可。

2.9 指令（Instruction）

2.10 CPU 的基本工作流程

        第一条指令的运行，其实没有用到我们之前制作的 ALU 部件，但这只是其中一些指令而已，大家尝试把剩余的 3 条指令自行运行一次，观察并理解这个过程。

        当然，电子计算机中的 CPU 可不像我们刚才那样，靠自己来驱动这个周期的运转，而是靠背后一个时钟来进行周期驱动的。

 时钟频率是个什么概念？？ - 知乎 (zhihu.com)

        最后，ALU + CU + 寄存器 + 时钟就组成了我们平时经常看到的一个词汇：中央处理器（Center Process Unit）简称 CPU。

 2.11 小结

3、编程语言（Program Language）

3.1 程序（Program）

        下面图给大家展示了 Altair 8800 计算机，是最早的一批微型电脑。用户需要控制开关，一个一个 bit 的将程序录入该电脑中。

3.2 编程语言发展

注意：高级语言的一条语句(Statement)往往对应很多条指令(Instruction)才能完成。

4、操作系统（Operating System）

4.1 操作系统的定位 

        操作系统由两个基本功能： 1） 防止硬件被时空的应用程序滥用； 2） 向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大相径庭的低级硬件设备。

4.2 什么是进程/任务（Process/Task）

4.3 进程控制块抽象(PCB Process Control Block)

// 以下代码是 Java 代码的伪码形式，重在说明，无法直接运行

class PCB {

    // 进程的唯一标识 —— pid;

    // 进程关联的程序信息，例如哪个程序，加载到内存中的区域等

  // 分配给该资源使用的各个资源

    // 进度调度信息（留待下面讲解）

}

        这样，每一个 PCB 对象，就代表着一个实实在在运行着的程序，也就是进程。操作系统再通过这种数据结构，例如线性表、搜索树等将 PCB 对象组织起来，方便管理时进行增删查改的操作。

4.4 CPU 分配 —— 进程调度（Process Scheduling）

4.5 内存分配 —— 内存管理（Memory Manage）

4.6 进程间通信(Inter Process Communication)

 1. 管道 2. 共享内存 3. 文件 4. 网络 5. 信号量 6. 信号