#头条创作挑战赛#

前言

大家好，我是鼾声，软件行业很快，C以前很流行，C java,spring，现在springcloud，docker,微服务、k8s云原生等概念火热，各种新技术不断涌现。但是计算机的底层原理 这几十年变化不大。与其不断尝试新技术，不如耐心，深入学习底层知识，培养“内功”。

计算机的软硬件概念

计算机系统"软件"和"硬件"2大部分组成

软件按应用范围分类，一般分为系统软件和应用软件：

0. 系统软件是各种操作系统，如windows、Linux、UNIX等，还包括操作系统的补丁程序和硬件驱动程序，都是系统软件。
1. 有更多种类的应用软件可以细分，如工具软件、游戏软件、管理软件等。

计算机硬件的发展过程：

0. 在电子管时代，速度每秒几千次~几万次
1. 晶体管时代的速度每秒几万次~几十万次
2. 中小型集成电路时代，每秒几十万次~几百万次
3. 在大规模、超大规模集成电路时代，速度每秒数千万次~万亿次

冯·诺依曼体系结构

第一台电脑ENIAC诞生于1946年，人类进入了电脑时代，冯诺依曼和其他计算机科学家 提出计算机"存储程序"计算机设计理念，即将计算机指令编码并存储在计算机存储器中，必要时可以顺序执行程序代码，以控制计算机运行。还定义了计算机的基本结构 5 冯.诺依曼计算机分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

实线箭头表示 虚线箭头表示数据线 控制线和反馈线

计算机特点：冯·诺依曼：

0. 计算机由 计算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备 五个部件组成， 重点是硬件抽象
1. 将计算机的计算和记忆分开，负责计算的部分由计算器和控制器组成，负责记忆的部分称为存储器
2. 均使用指令和数据 二进制数 表示
3. 指令和数据存储在同等位置的存储器中，并可 按地址寻访
4. 指令由操作代码和地址代码组成。操作代码用于表示操作的性质，地址代码用于表示存储器中操作数量的位置
5. 按顺序存储在存储器中的指令。通常，指令是按顺序执行的。在特定条件下，执行顺序可以根据计算结果或设定条件进行改变
6. 以运算器为中心

现代计算机系统与冯·诺依曼计算机没有太大区别，最大的区别是冯·诺依曼计算机 是以运算器为中心，而现代计算机以存储器为中心：

这张图很重要，大家要记住，我们以后会讲解补充！

接下来，让我们分别介绍这些重要组成部分

0. 存储器

存储器用于存储数据和程序。

• 接下来，让我们分别介绍这些重要组成部分
• 存储器
• 存储器用于存储数据和程序。存储器 包括主存和辅存

主存：直接与CPU交换信息，是我们熟悉的内存。常见的内存条

2. 辅助存储器：辅助存储器可作为主存储器，不直接与CPU交换信息，容量大于主存储器，但速度慢于主存储器。如机械硬盘、固态硬盘等

我们必须注意：

只有主存可以直接与CPU交换信息，辅存不直接与CPU交换信息

运算器

4. 在控制器的控制下，运算器又称算数逻辑单元，是进行算数操作和逻辑操作的部件，算术操作或逻辑操作取自内存储器的数据，并将操作结果发送到内存储器。

控制器

5. 控制器用于控制、指挥程序和数据的输人、操作和处理操作结果。计算机工作时，控制器首先按顺序从内存取出一个指令，并对指令进行翻译分析，根据指令的功能向相关部件发出操作命令，使这些部件执行命令规定的任务，然后取出第二个指令进行分析和执行。计算机工作时，控制器首先按顺序从内存取出指令，并对指令进行翻译分析，根据指令的功能向相关部件发出操作命令，使这些部件执行命令规定的任务，然后取出第二个指令进行分析和执行。重复这一点，直到所有的指令都完成。

输入设备

6. 输入设备用于将熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式，如键盘、鼠标等

输出设备输出设备可以将机器的操作结果转换为熟悉的信息形式，如打印机输出、显示器输出等。中央处理器(CPU)由于运算器

和
7. 控制器

特别是随着大型集成电路时代的到来，逻辑关系与电路结构的联系非常密切，所以现在往往会将操作器和控制器集成到同一个芯片中上，统称 中央处理器(CPU)，其功能是从内存器中取出指令，解释指令，执行指令。

现代CPU内部 寄存器还有一个常见的组件

存储器是CPU内存储数据的一些小存储区域

，用于临时存储参与操作的数据和操作结果。寄存器由电子线组成，存取速度非常快，与CPU速度相当，寄存器成本较高，数量较少。寄存器由电子线组成，存取速度非常快，与CPU速度相当，寄存器成本较高，数量较少。

CPU中至少有六种寄存器： 指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、累加寄存器(AC)、编程状态字寄存器(PSW)。

具体见： 谈谈计算机中的寄存器总线一组电子管道贯穿整个系统，称为总线，它携带信息字节，并负责在各计算机部件之间传输。通常，总线被设计成传输长度的字节块，即字节块（word）。字节数(即字长)是每个系统中不同的基本系统参数。现在大多数机器的字长要么是4个字节(32位)，要么是8个字节(64位)。在这篇文章中，我们没有对字长做任何固定的假设此外，计算机最小的存储单位是字节（byte

）

，1 字节等于 8 位(1Byte=8bit)，而

位/比特（bit）

它是计算机中最小的数据传输单位。
• 1 字节等于 8 每个人都需要记住位置(1Byte=8bit)的转换规则

顺便说一句，我们将内存相关知识串起来：计算机将8个bit分成一组，即字节，每个字节对应一个内存地址。

• 1 字节等于 8 每个人都需要记住位置(1Byte=8bit)的转换规则

顺便说一句，我们将内存相关知识串起来：计算机将8个bit分成一组，即字节，每个字节对应一个内存地址。内存地址为0 开始编号，然后自行排列，最后一个地址是内存总字节数 – 1。CPU只需要知道数据类型的地址， 您可以直接到相应的内存位置提取数据。

• 总线可分为 3 种：

地址总线

，一般用于指定 CPU 要操作的内存地址；数据总线

，一般用于读写内存的数据；

控制总线

，一般用于发送和接收信号，如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后，通过控制总线响应；

0. 为什么计算机一般采用二进制？
1. 这是一个非常常识但非常重要的问题，冯。诺依曼计算机也被称为存储程序 “存储程序”的概念是计算机 指

以二进制代码的形式提前输入计算机的主存储器

，然后按照存储器中的第一个地址执行程序的第一个指令，然后按照程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束。

我们更熟悉十进制的运算，0、1、2、3、4、5、6、7、8、90个数字，逢十进一。

我们更熟悉十进制的运算，0、1、2、3、4、5、6、7、8、九十个数字，逢十进一。例如，中国人从小背诵的“九九乘法表”实际上是十进制变种。但计算机采用二进制，只有0和1两个数字，逢二进一。

采用二进制的原因：

二进制在自然界中最容易表现出来。自然界中有许多二值系统。电压、水位、门开关、电流等都可以形成二值系统，可以用作计算机。

计算机依靠电力工作，通过电子原件的电压反应，很容易显示二进制的特性。从某种意义上说，中国古人的八卦是用符号的二元形式来表达事物，这与二进制相当相同。64位和32位CPU的区别64位和32位是指CPU寄存器的数据宽度，也称为 CPU 位宽的主要区别在于CPU一次能计算多少字节数据32位CPU显示处理器 一次可以计算 4 个字节(Byte)，32位可以一次计算(bit)数据。64位CPU显示处理器 一次可以计算 8 个字节(Byte)，一次可计算64位(bit)数据。

CPU的位数越高，搜索范围、最大内存容量、数据传输和处理速度、数值精度等指标就会翻倍，即CPU的处理能力也会大大提高

我们都知道，

32位CPU最大支持4G内存

,这是怎么算出来的？

2^32B = 4GB,2^35b = 4GB,

0. 注意B和B的区别

"32CPU"中的"位"并不是 内存中的"位bit"的概念，与内存相对应的其实是"字节ByteŘ

由于32位最大内存搜索能力只能达到4G左右，即使我们在32位计算机上安装8G内存条，也不能提高其计算能力

计算机性能
• 接下来介绍计算机性能相关的基本概念:

存储器的性能指标

存储器的性能指标主要和以下3个方面有关：

• 存储容量：存储单元的数量 * 存储字长(如1M*8bit)

3. 其中：

MAR位数反映了存储单元的数量，也就是说，最多能表示多少不同的状态？

• n个2进制位可以表示 2^N状态， 2^10=1 K,2^20=1 M,2^30=1 G,2^40=1 T
• MDR位数=存储字长=每个存储单元的大小单位成本:每个价格=总成本/总容量。
• 存储速度：数据传输率=数据宽度/存储周期

另外还有三个概念要理解:

存取时间

也称为存储器访问时间，是指从启动存储器操作到完成操作所经历的时间。

存储周期

又称读写周期或访问周期。

存储周期它也被称为读写周期或访问周期。它是指存储器完成读写操作所需的所有时间，即连续两次独立访问存储器操作（读写操作）所需的最小时间间隔。存储器带宽存储器在单位时间内获得的信息量。

CPU性能指标

当我们去京东淘宝上去买，CPU的时候，商家一般会写下面的信息：12代 酷睿 i7-12700KF 处理器 12核20线程 单核睿频至高可达5.0Ghz 25M三级缓存 台式机CPU其中除了一下CPU的型号，5.0Ghz是表示CPU性能的一个重要的指标

CPU主频：

CPU内核的时钟频率，表示在
0. CPU内数字脉冲信号震荡的频率

，常用单位为Hz。平时我们打游戏常说的超频，超的就是这个CPU主频。

CPU时钟周期

2. ：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中基本时间单位。
3. 执行一条指令的耗时

= CPI * CPU时钟周期, 其中CPI表示 执行一条指令所需的时钟周期数

一段程序的耗时

=指令数*CPI * CPU时钟周期， 如果我们想要提升CPU性能问题，其实就是要优化这三者。系统整体的性能指标计算机系统的性能主要受是下面3个指标

数据通路带宽

数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）

吞吐量 指系统在单位时间内处理请求的数量。 它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或 存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤中的每一步都关系 到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。

响应时间 指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得它所需 要的结果的等待时间。 通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储 器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）

跑分软件，像鲁大师等，就是把多个预设好的程序(基准程序)在计算机上运行，然后根据运行需要 的时间，算出一个分数来评估计算机的性能，以便和其他计算机进行比较。

计算机功耗

通过上文CPU 执行时间 = 指令数*CPI * CPU时钟周期，我们知道程序的 CPU 的性能 受到 指令数、CPI 以及 CPU 主频 的影响， 指令数或者 CPI 工程师，由于影响条件复杂，没法直接干预，或者可能反向干预。主要手段是提高CPU的主频， CPU 变得更快，程序的执行时间自然就会缩短 ，

主频越高越好

？

答案是否定的 由本文一开始，我们知道现在的计算机里的CPU,都是超大规模集成电路，实际上都是一个个晶体管组合而成的。通过电路的开关的"打开"和"关闭",来实现计算和储存的能力。要想计算得更快，从硬件角度来说，就是单位体积多放一些晶体管。从软件角度，手动将CPU的主频提升。但这2种手段，会增加CPU的耗电和散热，即功耗增加。 虽然可以通过降低电压来缓解功耗的问题，但是一味地提升主频，提升的性能效果日益衰弱。后面为了提升性能，不再依赖堆硬件方面，计算机采用了从单核CPU到多核CPU，将CPU执行任务流水线化，高并发多线程等等更多的手段

参考资料： 深入理解计算机系统

计算机组成原理 计算机组成原理(第2版)-唐朔飞 深入浅出计算机组成原理本篇文章到这里就结束啦，如果我的文章对你有所帮助，还请帮忙一键三连：点赞、关注、收藏，你的支持会激励我输出更高质量的文章，感谢！ 计算机内功、源码解析、科技故事、项目实战、面试八股等更多硬核文章，首发于公众号「小牛呼噜噜」，我们下期再见!