专栏：JavaEE初阶起飞计划
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一、冯诺依曼体系结构
1.1. 概念
冯·诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture），是现代计算机的基础设计概念，核心思想是"存储程序控制"。具体来说，就是将程序指令和数据存储在同一个存储器中，并由计算机顺序地从存储器中取出指令并执行，以完成计算任务。
1.2. 主要组成部分
- **运算器：**负责执行所有的算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非）。
- 控制器：是计算机的"大脑"，负责解析指令，并发出控制信号，协调和控制计算机各部件的工作。它控制数据的输入、输出、存储、运算等过程。
- 存储器：用于存储程序指令和数据。在冯·诺依曼体系中，指令和数据共享同一个存储空间。
- **输入设备：**用于将外部信息（如键盘、鼠标、麦克风等）输入到计算机中。
- **输出设备：**用于将计算机处理后的信息（如显示器、打印机、音响等）输出到外部。
二、CPU
CPU，全称中央处理器，被誉为计算机的"大脑"。它是计算机的核心计算单元，负责解释计算机指令、处理计算机软件中的数据，并管理计算机的各项操作。CPU和程序员的关系是非常密切的，因为程序员写的代码都是靠CPU运行的。
2.1. CPU的性能指标
- **时钟速度：**以GHz（千兆赫）为单位，表示 CPU 每秒执行的运算次数。数值越大就越好。
- **核心数：**20多年前的CPU，都是只有一个核心。现代 CPU 通常包含多个处理核心，每个核心都可以独立执行指令。核心数越多，CPU 处理多任务的能力越强。
- **指令集架构：**不同的 CPU 使用不同的指令集，例如英特尔和 AMD 的 x86 架构，以及 ARM 架构等。
- **缓存大小：**缓存越大，CPU 访问数据的速度越快，从而提高整体性能。
2.2. 指令集
计算机的指令集 是CPU能够理解并执行的所有指令的集合。这些指令是CPU进行各种操作（如数据传输、算术运算、逻辑判断、控制流程等）的基本命令。
每条指令通常由操作码和操作数。操作码指示CPU执行什么操作，操作数指令操作的数据或数据的地址。常见的指令类型有数据传输指令、算术指令、逻辑指令、控制流指令等。
2.3. 寄存器和内存
寄存器和内存都是计算机中用于存储数据的重要组件，但它们在功能、速度、容量和用途上有着显著的区别。寄存器是CPU内部极小、极快的存储单元。它们直接集成在CPU芯片上，用于暂时存储CPU当前正在处理的数据和指令。可以把它们看作是CPU的"工作台"或者"暂存盘"。内存（随机存取存储器）是计算机中用于存储程序指令和数据的主要工作区域。它比寄存器慢，但容量大得多。CPU需要从内存中获取指令和数据，并将处理结果写回内存。
寄存器和内存的区别：寄存器速度极快、容量极小、成本极高；内存速度较慢、容量较大、成本较低、易失性（大多数RAM是易失性存储器，这意味着当计算机断电时，存储在内存中的数据会丢失）。
三、操作系统
操作系统可以被认为是计算机中最关键的软件。
3.1. 概念
操作系统是一组复杂的系统软件，它承担着计算机系统资源管理与调度的核心职责。具体来说，它主要包含以下几个方面：
- 资源管理者： 操作系统管理计算机的所有硬件资源（如CPU、内存、硬盘、输入输出设备等）和软件资源（如文件、程序、进程等）。它负责分配这些资源给不同的程序和用户，并在它们之间进行协调，避免冲突。
- 控制程序： 操作系统控制程序的执行流程，确保程序按照预期的顺序和方式运行。它处理中断、异常和错误，保证系统的稳定性和可靠性。
- 服务提供者： 操作系统为应用程序和用户提供一系列服务。例如，文件管理服务（创建、删除、读写文件）、进程管理服务（创建、调度、终止进程）、内存管理服务（分配和回收内存）以及设备管理服务（控制外围设备）。
- 用户接口： 操作系统提供用户与计算机交互的界面。这可以是图形用户界面（GUI），如Windows、macOS，也可以是命令行界面（CLI），如Linux的终端。
3.2. 定位
计算机系统的核心，连接用户与硬件的桥梁，应用程序的运行平台，以及提升系统效率、可靠性和实现硬件独立性的关键组件。
3.3. 主流的操作系统
- **Windows：**由微软创建，1985 年发布 Windows 1.0，从运行在 MS-DOS 上的图形界面进化为完整操作系统，有多个主要版本；具有多功能性和广泛兼容性，可在多种设备上运行，适用于多种计算目的，界面用户友好；但系统要求高，旧硬件运行可能迟钝，更新频繁且可能出现更新循环，安全问题较多，存在蓝屏死机问题。
- **Mac OS：**由苹果在 1990 年代初引入，仅用于苹果设备；对硬件和软件控制严格，系统稳定、运行流畅、优化良好，在创意专业人士中受欢迎，与苹果其他设备可无缝同步消息、电话和文件，强制更新和崩溃较少，电池寿命更长；但用户需购买昂贵苹果硬件，设备游戏性能不足，部分专业软件不可用或有限量版。
- **Linux 系统：**由林纳斯・托瓦兹在 1991 年创建，是开源的操作系统家族，不是单一操作系统；轻量、安全，对硬件要求低，可在旧电脑和高性能服务器上运行，任何人可修改或构建版本，有多种发行版，在编程、网络安全及服务器管理方面广泛应用，谷歌、Facebook、NASA 等的系统有使用；但对新用户不友好，界面难理解，许多发行版依赖基于文本的命令，软件兼容性差，主流应用和游戏大多不为其构建。
- **ChromeOS：**由谷歌开发，2011 年首次发布，是轻量级、基于云的操作系统；主要与互联网协同工作，适合常浏览网页、使用网络应用的用户，预装在 Chromebook 上，设备价格实惠、启动快，自动更新，安全风险低，可访问 Google Play 商店安装安卓应用；但严重依赖互联网，无活跃连接时表现不佳，不支持许多桌面应用和高端游戏，难以进行重度多任务处理。
- **安卓：**由 Google 开发，是开源操作系统，是世界上最受欢迎的手机操作系统，被多个品牌使用；可改变主题、安装第三方启动器，能高度定制系统，有 Google Play 商店，提供大量应用和游戏，有价格实惠和高端旗舰机型；但并非所有设备都能定期获得更新，可能导致性能变慢和安全风险，存在预装不可删除的不必要应用，通常不如 iOS 优化，部分应用运行可能较慢。
- **iOS：**由苹果开发，用于驱动 iPhone 和 iPad，是苹果专有系统；苹果完全控制硬件和软件，设备稳定，软件支持时间长，应用商店应用经过精心挑选，与苹果其他设备可无缝连接；但缺乏定制性和灵活性，用户不能自由改变系统，设备通常更昂贵，存储空间不可扩展，限制多，不能自由从应用商店外安装应用、轻松传输文件，部分设备缺乏可扩展存储和耳机插孔。