穿越 java | 快速入门篇 - 第1节 计算机基础知识_java 开发涉及精简指令复杂指令

开发环境

基于：IntelliJ IDEA、Maven构建工具、JDK1.8、Spring4.3.28编写。

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定义

首先 认识一下计算机

先copy一段百度百科的话

计算机（computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。

作用

计算机的作用有哪些？
计算机： 输入指令和数据，经过处理后，产生有用的信息。

组成元件

计算机组成元件： 输入单元(鼠标、键盘、触摸板等)、cpu、显卡、主板、内存、硬盘、输出设备(显示器等)、各种接口设备(声卡、网卡等)。

CPU

根据指令集分为2种，精简指令集(R·ISC)和复杂指令集(C·ISC)。

• 【精简指令集】
  指令数较少，每条指令执行时间很短，完成的操作也很单一，要完成复杂操作需要多条指令。
  IBM的PowerPC(ps3等使用)和ARM系列(手机、路由器等使用)的cpu使用的是这种指令集。

• 【复杂指令集】
  指令数很多而且都比较复杂，每条指令执行时间较长，能处理的工作比较丰富。
  AMD、Intel等X86架构的cpu使用这种指令集。

• x86架构：指Intel最早开发出来的cpu叫8086，后开又有80286、80386等，
  所以这种架构的cpu就被称为了x86架构。

内存

cpu所有数据都来自内存

• 内存的主要组成部分是动态随机访问内存(D·RAM)，通电时才能使用，断电后数据消失。

• 内存容量越大越好，因为所有数据都要加载到内存里才能被cpu读取。

• 如果现在要加载大量数据到内存里，如果内存没有足够容量就只能释放暂时不用的内存，而释放内存可能会消耗一定的cpu时间，导致系统卡顿。

• 内存频率最好和所使用的cpu的外频一样。

cpu里的高速缓存

cpu的数据是通过北桥从内存里读出来的，如果不通过北桥，
直接在cpu内部读取就会快很多，因此有了cpu高速缓存。
由于高速缓存在cpu内，要与cpu总体工作频率一致，
D·RAM不支持，需要静态随机访问内存(S·RAM)。

BIOS软件(基础输入输出系统)

BIOS是个程序，管理系统信息、进行开机自检等功能。
bios程序写死在在主板的一个内存芯片里(ROM)，ROM芯片没有通电也能记录数据(相当于硬盘)。

CMOS芯片

• 是一个主板上的可读写的RAM芯片(RAM断电数据消失，所以CMOS有单独的电池)。
• 这个芯片记录了硬件的各项参数。CMOS的设置通常被写进BIOS里。

机械硬盘

组成

由盘片、机械手臂、磁头和主轴马达组成。

• 盘片：通常是铝合金圆盘，上面涂了磁性材料。

• 磁道：每个盘片分成了多个同心圆形的磁道，每个同心圆磁道一般可以存储几kB的。

• 扇区：每个磁道又平分为多个块，这个块就叫扇区。
  扇区是机械硬盘上存储的物理单位，每个扇区可以存储512字节的数据。
  (z注意h，即使只需要某个字节，也要把扇区里的512B的数据都读出来)

• 柱面：指不同盘片上的同一个位置的磁道组成的一个面，是一种逻辑上的概念。
  磁盘数据的读写是按柱面进行的，每次从柱面上的第一个磁头开始读写，
  直到柱面上所有磁头都读写完成，磁盘才移到下一柱面。

数据存取过程

主轴马达转动盘片，机械手臂移动磁头在盘片上方(间距不到1微米)来回移动，磁头读写盘片。

文件编码

计算机只会使用0/1记录数据，那人一般是看不懂的，需要把0/1转换一下，转为人能理解的字码。

所以写入数据时，会把字码根据字码对照表(编码系统)转换为0/1，再存入文件。同理，读取文件时，也是读取一堆0/1数据，转换为字码后，展示到屏幕上。

ASCII

常用的编码表是ASCII码，每个符号(英文、数字、符号)占用1B(8bit)，
总共会有2的8次幂种组合，所以这种编码只支持256个字符。

GBK

中文用的最多的编码系统是GBK，是对ASCII码的扩展
GBK会有2的16次幂=65532种组合，理论可以表示6万多个中文。

UTF-8

但是各国的文字都不一样，为了统一编码，
出现了全球统一编码Unicode编码，日常使用UTF-8。

工作流程

计算机工作流程： 数据经过输入单元输入到内存里，cpu读取内存数据，进行处理后，写入内存，然后传给输出单元或者存储在本地硬盘里。

计算单位

计算机使用的计算单位：bit(比特)，即单个的0或者1。

• 之所以用这种单位，是因为计算机是根据有没有通电来记录信息的，通电就是1，没通电就是0。
  不断的通断电，记录一串0/1，就是在记录数据。

• 由于0/1这个单位太小了，日常记录数据都是成千上万个bit，
  所以一般会使用另一个单位：字节Byte，1个字节=8个比特，即1B=8b。

• 但是由于Byte也很小，所以更常用的是KB，即1024B，或者MB，即1024KB=1024*1024B。

架构和接口设备

主板上有2个桥接器，北桥连接cpu、内存、显卡，南桥连接硬盘、USB、网卡等。

• cpu有2个主要单元：算数逻辑单元和控制单元。

• 算数逻辑单元：主要负责程序运算和逻辑控制。

• 控制单元：主要用于协调各组件与各单元间的工作。

• 决定性能的因素：指令集和频率(即每秒可以进行的工作次数)
  cpu的频率分外频和倍频，二者相乘才是cpu的频率。

• 外频：cpu与外部组件进行数据传输/运算时的速度。

• 倍频：即内频，cpu内部用来加速工作性能的一个倍数

cpu分32位和64位，怎么理解？

cpu每次能处理的数据量成为字组大小，如果一次能处理32位的数据，就称该cpu是32位的，能处理64bit即64位的cpu。

软件程序运行

要使用计算机，需要工程师编程，写代码操作cpu，调用各种硬件，但是这样做有缺点

• 计算机只能识别0/1，要使用这种机器码编程，很难。

• 机器码与cpu的指令集耦合性太强，换个机器，又要重新编写代码，成本太高。

为了解决上诉问题，设计了一些人能看得懂的程序语言

• c 、java、python等，然后使用编译器将这些语言翻译成机器懂的机器码。

• 现在有了易懂的编程语言，但是很多功能老是要写一些涉及底层硬件基础交互的重复代码，就很耗时间。

• 所以将与底层硬件打交道的事情统一封装起来，只暴露相关功能的接口给开发者调用，就方便多了。

这个封装好的程序就是操作系统，包括：

• 内核：负责驱动硬件，分配cpu资源，管理内存、文件。
• 一堆开发接口：方便开发者调用内核。
• 操作系统可以管理计算机所有活动和驱动系统中的所有硬件。
• 比如让驱动内存读取数据，驱动硬盘读写数据，驱动网卡传输数据等。
• 这个内核程序开机后常驻在内存中。
• 现在有了能管理硬件的操作系统。
• 但是操作系统只是能管理而已，有了操作系统只是准备妥当，
• 如何管理，如何使用硬件去实现各种功能要靠软件来决定。
• 所以软件就是开发者参考操作系统提供的接口，做出来让用户操作计算机的东西。

计算机从出现至今，经历了机器语言、程序语言、简单操作系统和Linux、Macos、BSD、Windows等现代操作系统四代，运行速度也得到了极大的提升，第四代计算机的运算速度已经达到几十亿次每秒。计算机也由原来的仅供军事科研使用发展到人人拥有，计算机强大的应用功能，产生了巨大的市场需要，未来计算机性能应向着微型化、网络化、智能化和巨型化的方向发展。

总结:

待完善…

目前很多大佬都写过关于本教程了，如有雷同，请多多包涵.