JavaEE初阶——《计算机是如何工作的》

一、计算机发展史

计算的需求在⼈类的历史中是⼴泛存在的，发展⼤体经历了从⼀般计算⼯具到机械计算机到⽬前的电⼦计算机的发展历程。

⼈类对计算的需求，驱动我们不断的发明、改善计算机。⽬前这个时代是"电⼦计算机"的时代，发

展的潮流是：更快速、更稳定、更微型。计算机的以后将如何发展，期待⼤家的努⼒。

1.冯诺依曼体系（Von Neumann Architecture）

现代的计算机, ⼤多遵守冯诺依曼体系结构

CPU 中央处理器: 进⾏算术运算和逻辑判断.

存储器: 分为外存和内存, ⽤于存储数据(使⽤⼆进制⽅式存储)

输⼊设备: ⽤⼾给计算机发号施令的设备.

输出设备: 计算机个⽤⼾汇报结果的设备.

针对存储空间

硬盘 > 内存 >> CPU

针对数据访问速度

CPU >> 内存 > 硬盘

认识计算机的祖师爷 -- 冯诺依曼
冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12⽉28⽇-1957年2⽉8⽇）, 美籍匈⽛利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之⼀。冯·诺依曼是布达佩斯⼤学数学博⼠，在现代计算机、博弈论、核武器和⽣化武器等领域内的科学全才之⼀，被后⼈称为"现代计算机之⽗"、"博弈论之⽗".

2.CPU 基本⼯作流程

接下来，我们⽤⼀个从⽆到有的过程，⼀步步搭建⼀个 CPU 出来，希望⼤家可以借助这个过程，理解CPU、内存等计算机主要部件的⼯作原理。

1.逻辑⻔

电⼦开关⸺机械继电器(Mechanical Relay)

通过电⼦开关，我们可以实现 1 位(bit) 的看似⽆⽤的逻辑运算，但⾄少它⼯作起来了，不是么。怎么使⽤电⼦开关组合出真正有⽤的逻辑组件，我们接来下会做进⼀步的学习了解。

2.⻔电路(Gate Circuit)

接下来，我们学习如何使⽤电⼦开关构建⼀些有⽤的部件⸺⻔电路。可以实现 1 位(bit) 的基本逻辑运算。

3.算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）

ALU 是计算机中进⾏算数、逻辑运算的核⼼部件，是计算机的数学⼤脑。接下来，我们构建的逻辑⻔来完成⾃⼰的⼀个 ALU，去学习理解它的⼯作模式，以便作为我们进⼀步理解现代计算机⼯作原理的基⽯。

4.进制的理解

5.算术单元(Arithmetic Unit)

算数单元，负责计算机⾥的所有数字操作，⽐如四则运算，当然它能做的远远不⽌这些。接下来我们会带着⼤家实现⼀个 8 位（bits）的加法器（adder）来，以演⽰整个过程，其他的运算器就不再详细讲解了。

⾄此，⼀个 8 位（bits) 加法器就被我们从⽆到有制作了出来。算术单元⽀持的操作当然远不⽌这些，通过继续组合逻辑⻔，算数单元可以做到加减乘除甚⾄更多的算术运算，但⼀个加法器作为演⽰已经⾜够了。

6.逻辑单元(Logic Unit)

逻辑单元主要⽤来进⾏逻辑操作，最基本的操作就是与、或、⾮操作，但不只是⼀位(bit)数的⽐较。

7.ALU 符号

经过我们的努⼒，通过基本的逻辑⻔电路，我们⼀步步地做出了⼀个 8 位(bits) ALU，甚⾄⽐ Intel

74181 还要强⼤，Intel 74181 只是⼀个 4 位(bits) ALU

8.寄存器(Register) 和内存(RAM)

光有 ALU 还是远远不够的，我们⽆法为 ALU 提供存储的部件，所以接来下，我们利⽤⻔电路简单说明下存储的制作。注意，虽然图中没有明显的表⽰出来，但这些存储都是要求必须保持通电状态的，也就是这些存储都是易失的（volatile）

中间我们隐藏了⼀些实现细节，最后的效果就是：使能线置位时，输⼊为 1，保存 1；输⼊为 0，保存0。使能线不置位时，则写⼊⽆效。

我们可以利⽤⻔锁，构建我们需要的寄存器和内存。

内存的构建要⽐这个复杂⼀点，但基本原理⼀致。如此构建的内存被称为 RAM(Random Access

Memory)，可以⽀持 O(1) 时间复杂度访问任意位置的数据，这也就是我们数组下标访问操作是 O(1) 的硬件⽀持。

期间，为了我们学习的聚焦性，我们隐藏了⼤量的实现细节，对于这部分知识感兴趣的同学可以在课后做深⼊的学习。

9.控制单元 CU(Control Unit)

我们现在有 ALU、存储了，但这还是不⾜以让我们的计算机⼯作起来，我们需要有⼀个部件来指挥ALU 进⾏何种的运算，⽽这个部件就是控制单元(CU)。

10.指令（Instruction）

⾸先，我们先介绍下我们需要到的指令(instruction)。

所谓指令，即指导 CPU 进⾏⼯作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成。

其中操作码⽤来表⽰要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是寄存器编号等。

指令本⾝也是⼀个数字，⽤⼆进制形式保存在内存的某个区域中。

二、操作系统（Operating System）

操作系统是⼀组做计算机资源管理的软件的统称。⽬前常⻅的操作系统有：Windows系列、Unix系

列、Linux系列、OSX系列、Android系列、iOS系列、鸿蒙等。

操作系统的定位

操作系统由两个基本功能：
1）防⽌硬件被时空的应⽤程序滥⽤；
2）向应⽤程序提供简单⼀致的机制来控制复杂⽽⼜通常⼤相径庭的低级硬件设备。

1.什么是进程/任务（Process/Task）

进程是操作系统对⼀个正在运⾏的程序的⼀种抽象，换⾔之，可以把进程看做程序的⼀次运⾏过程；

同时，在操作系统内部，进程⼜是操作系统进⾏资源分配的基本单位。

2.进程控制块抽象(PCB Process Control Block)

计算机内部要管理任何现实事物，都需要将其抽象成⼀组有关联的、互为⼀体的数据。在 Java 语⾔中，我们可以通过类/对象来描述这⼀特征。

java 复制代码

// 以下代码是 Java 代码的伪码形式，重在说明，⽆法直接运⾏
class PCB {
 // 进程的唯⼀标识 ------ pid;

 // 进程关联的程序信息，例如哪个程序，加载到内存中的区域等
 // 分配给该资源使⽤的各个资源
 // 进度调度信息（留待下⾯讲解）
 }

这样，每⼀个 PCB 对象，就代表着⼀个实实在在运⾏着的程序，也就是进程。

操作系统再通过这种数据结构，例如线性表、搜索树等将 PCB 对象组织起来，⽅便管理时进⾏增删查改的操作。

CPU 分配⸺进程调度（Process Scheduling）

为了便于讨论和理解，我们⼤部分的场景下假设是单CPU单核的计算机。

操作系统对CPU资源的分配，采⽤的是时间模式⸺不同的进程在不同的时间段去使⽤ CPU 资源。

内存分配⸺内存管理（Memory Manage）

操作系统对内存资源的分配，采⽤的是空间模式⸺不同进程使⽤内存中的不同区域，互相之间不会⼲扰。

进程间通信(Inter Process Communication)

如上所述，进程是操作系统进⾏资源分配的最⼩单位，这意味着各个进程互相之间是⽆法感受到对⽅存在的，这就是操作系统抽象出进程这⼀概念的初衷，这样便带来了进程之间互相具备"隔离性

（Isolation）"。

但现代的应⽤，要完成⼀个复杂的业务需求，往往⽆法通过⼀个进程独⽴完成，总是需要进程和进程进⾏配合地达到应⽤的⽬的，如此，进程之间就需要有进⾏"信息交换"的需求。进程间通信的需求就应运⽽⽣。

⽬前，主流操作系统提供的进程通信机制有如下：

管道
共享内存
⽂件
⽹络
信号量
信号

其中，⽹络是⼀种相对特殊的 IPC 机制，它除了⽀持同主机两个进程间通信，还⽀持同⼀⽹络内部⾮同⼀主机上的进程间进⾏通信。