JAVA EE初阶---DAY 1 计算机是如何工作的

本系列可作为JAVAEE初阶学习系列的笔记文中提到的一些练习的代码小编会将代码复制下来大家复制下来就可以练习了方便大家学习。点赞关注不迷路您的点赞、关注和收藏是对小编最大的支持和鼓励系列文章目录JAVA初阶---------已更完JAVA数据结构---------已更完数据库初阶----------已更完JAVA EE初阶---DAY 1 计算机是如何工作的目录目录系列文章目录目录前言第一章 计算机的发展历史1.1 人类为什么需要计算机1.2 算盘时代1.3 机械计算机时代莱布尼兹计算器1.4 巴贝奇与分析机差分机分析机Analytical Engine1.5 真空管时代Colossus巨人一号ENIAC1.6 晶体管时代晶体管Transistor第二章 冯诺依曼体系结构Von Neumann ArchitectureJohn Von Neumann2.1 计算机的四大组成部分CPU存储器输入设备输出设备2.2 速度与容量关系存储容量访问速度第三章 从电子开关开始理解CPU3.1 机械继电器3.2 为什么使用二进制二进制第四章 逻辑门——计算机思考的基础4.1 非门NOT4.2 与门AND4.3 或门OR4.4 异或门XOR第五章 ALU——CPU的大脑5.1 半加器5.2 全加器5.3 八位加法器第六章 寄存器与RAM6.1 寄存器6.2 RAM第七章 控制单元CUControl Unit第八章 指令系统指令Instruction指令组成第九章 CPU执行程序全过程FetchDecodeExecute指令周期第十章 CPU主频到底是什么第十一章 编程语言的发展第一代第二代第三代第十二章 编译器与解释器编译流程第十三章 操作系统的作用为什么需要操作系统资源管理硬件抽象第十四章 进程是什么Process进程的本质第十五章 为什么程序员必须理解计算机原理总结总结前言很多初学编程的人都会产生一个疑问我写的 Java、Python、C 代码计算机到底是怎么执行的为什么写下int a 3; int b 5; System.out.println(a b);计算机就能输出8屏幕上的每一个字符、每一次鼠标点击、每一次游戏运行背后到底发生了什么对于很多程序员来说计算机就像一个“黑盒子”输入代码点击运行得到结果却不知道CPU如何计算内存如何存储指令如何执行操作系统如何调度本文将从最底层开始带你一步一步理解一个现代计算机究竟是如何工作的。第一章 计算机的发展历史1.1 人类为什么需要计算机计算需求伴随着整个人类文明的发展。例如商业记账税收统计军事计算天文观测工程设计随着计算规模越来越大人类开始发明各种辅助工具。1.2 算盘时代大约公元前2500年算盘已经出现。它实际上是人类历史上最成功的计算工具之一。特点不需要电速度快成本低直到今天仍在部分场景使用。1.3 机械计算机时代莱布尼兹计算器1694年德国数学家戈特弗里德·莱布尼兹发明Step Reckoner步进计算器能够自动完成加法减法乘法除法这是机械计算机的重要里程碑。1.4 巴贝奇与分析机1822年英国科学家查尔斯·巴贝奇提出差分机用于自动计算数学表格。1830年代巴贝奇进一步提出分析机Analytical Engine这是历史上第一台真正意义上的通用计算机它已经拥有输入输出存储运算甚至支持程序控制。因此巴贝奇被称为计算机之父1.5 真空管时代1943年英国Colossus巨人一号诞生。主要用于破解德国密码。1945年美国ENIAC问世。特点18000个真空管重达30吨功耗150KW被认为第一台电子通用计算机1.6 晶体管时代1947年贝尔实验室发明晶体管Transistor意义替代真空管。优点更小更快更稳定更省电计算机从此进入现代化发展阶段。第二章 冯诺依曼体系结构现代计算机几乎全部采用Von Neumann Architecture即冯诺依曼体系。由数学家John Von Neumann提出。被誉为现代计算机之父博弈论之父2.1 计算机的四大组成部分CPU中央处理器负责运算判断存储器负责保存程序保存数据包括内存硬盘输入设备例如键盘鼠标摄像头输出设备例如显示器音响打印机2.2 速度与容量关系存储容量硬盘 内存 CPU缓存访问速度CPU缓存 内存 硬盘因此CPU快但小硬盘大但慢第三章 从电子开关开始理解CPUCPU本质上不是魔法。它只是大量电子开关组成的系统3.1 机械继电器最早的电子开关Relay继电器特点通电闭合断电断开只有两种状态。刚好对应1 03.2 为什么使用二进制因为电子设备天然适合表示有电 1 没电 0所以计算机选择二进制作为底层语言。第四章 逻辑门——计算机思考的基础逻辑门是CPU最基本的组成单位。4.1 非门NOT作用取反。1 - 0 0 - 14.2 与门AND规则1 AND 1 1 其余全部为04.3 或门OR规则只要有一个1 结果就是14.4 异或门XOR规则不同为1 相同为0例如1 XOR 0 1 1 XOR 1 0第五章 ALU——CPU的大脑ALUArithmetic Logic Unit即算术逻辑单元。负责加法减法比较逻辑运算5.1 半加器实现两个bit相加例如1 1结果和 0 进位 15.2 全加器支持三个bit相加。包括A B 进位输入5.3 八位加法器把多个全加器串联。形成8位加法器例如00000011 00000101结果00001000即3 5 8第六章 寄存器与RAMALU会计算。但是不会记忆。所以需要存储器。6.1 寄存器寄存器RegisterCPU内部最快的存储单元。特点极快极小保存当前运算数据6.2 RAMRandom Access Memory随机访问存储器。特点可随机访问访问时间O(1)这也是数组下标访问O(1)的硬件基础。第七章 控制单元CUCPU不仅要会算。还要知道算什么这就是CU的职责。Control Unit控制单元。作用指挥ALU工作。例如先读取数据 再执行加法 最后保存结果第八章 指令系统CPU只认识指令Instruction例如LOAD STORE ADD指令组成一条指令操作码Opcode 操作数Operand例如LOAD A表示读取数据到A寄存器第九章 CPU执行程序全过程CPU运行程序的核心循环Fetch取指令Decode解析指令Execute执行指令形成取指 ↓ 译码 ↓ 执行 ↓ 取下一条无限循环。这就是指令周期第十章 CPU主频到底是什么例如3.5GHz表示35亿次时钟震荡/秒很多人误解3.5GHz 35亿条指令实际上并不完全正确。因为一条指令可能需要多个时钟周期。第十一章 编程语言的发展第一代机器语言01001010 11010011直接写0和1。第二代汇编语言LOAD A ADD B STORE C更容易理解。第三代高级语言例如CCJavaPython第十二章 编译器与解释器编译流程以C语言为例C代码 ↓ Compiler ↓ 汇编代码 ↓ Assembler ↓ 机器码 ↓ CPU执行Java流程Java ↓ ByteCode ↓ JVM ↓ 机器码 ↓ CPU第十三章 操作系统的作用常见操作系统WindowsLinuxmacOSAndroidiOS鸿蒙为什么需要操作系统如果没有操作系统程序必须直接控制CPU内存硬盘显卡难度极高。操作系统负责资源管理例如CPU调度内存管理文件管理硬件抽象让程序员无需关心硬件细节。第十四章 进程是什么运行中的程序称为Process进程。例如打开QQ 微信 Chrome会产生多个进程。进程的本质操作系统制造了一种假象每个程序都独占电脑实际上CPU正在快速切换。第十五章 为什么程序员必须理解计算机原理很多程序员会写代码。但不知道CPU怎么执行 内存怎么存储 程序怎么运行这会导致性能问题无法定位并发问题无法分析底层原理难以理解理解计算机组成原理后你会真正明白为什么数组访问快 为什么缓存重要 为什么CPU比内存快 为什么会出现死锁 为什么程序会崩溃总结本文从最底层的电子开关开始一步一步搭建出完整计算机体系电子开关 ↓ 逻辑门 ↓ ALU ↓ 寄存器 ↓ RAM ↓ 控制单元CU ↓ CPU ↓ 指令系统 ↓ 编程语言 ↓ 操作系统 ↓ 进程现代计算机看起来极其复杂但本质上仍然遵循冯诺依曼在上世纪提出的思想存储程序、顺序执行、二进制表示。理解了这些内容你就真正迈出了从“会写代码”到“理解计算机”的第一步。整个知识体系来源于你上传的《计算机是如何工作的》课程资料并结合计算机组成原理进行了扩展与系统化整理。总结以上就是今天要讲的内容本文简单记录了数据结构学习内容仅作为一份简单的笔记使用大家根据注释理解您的点赞关注收藏就是对小编最大的鼓励