计算机原理

计算机基础原理

现代计算机,大部分都是基于冯诺依曼体系结构,而我们这里谈论的也是此问前提。冯诺依曼的核心是:存储程序,顺序执行。所以不管计算机如何发展,基本原理是相同的。计算机程序实际上是告诉计算机做什么。

冯诺依曼体系结构有以下特点:

  1. 计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示;
  2. 指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中;
  3. 顺序执行程序的每一条指令;
  4. 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

对于我们现代计算机来说,最关键的2个部件就是CPU和内存。内存存储了要执行的程序指令,而CPU就是用来执行这些指令。CPU首先要知道这些指定存放在存储器的那个区域,然后才能执行,并且把执行的结果写入到执行区域。

CPU指令和编程语言

在了解CPU和存储器工作原理之前,先来了解一下CPU指令和我们编程语言之间的一些关系。

因为在计算机中指令和数据都用二进制来表示,也就是说它只认识0和1这样的数字。最早期的计算机程序通过在纸带上打洞来人工操操作的方式来模拟0和1,根据不同的组合来完成一些操作。后来直接通过直0和1编程程序,这种称之为机器语言。

但是作为机器语言来说没有可读性而且很难维护,应由而生的就是变汇编语言了,它用助记符(代替操作码指令,用地址符号代替地址码。实际是对机器语言的一种映射,可读性高。

高级语言

汇编语言的出现大大提高了编程效率,但是有一个问题就是不同CPU的指令集可能不同,这样就需要为不同的CPU编写不同的汇编程序。于是又出现了高级语言比如C,或者是后来的C++,Java,C#。 高级语言把多条汇编指令合成成为了一个表达式,并且去除了许多操作细节(比如堆栈操作,寄存器操作),而是以一种更直观的方式来编写程序,而面向对象的语言的出现使得程序编写更加符合我们的思维方式。我们不必把尽力放到低层的细节上,而更多的关注程序的本身的逻辑的实现。

小结

从上面的我们可以看出,我们写的程序最终都将变成机器认识的二进制可执行程序,然后加载到内存顺序的执行。 从机器码到汇编到高级语言,我们可以看到计算机中无处不在的分层,抽象的思想。不光光是软件,硬件同样适用。

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