小白入门之一：计算机基础

计算机硬件

计算机（Computer）：俗称电脑，是一种能接收和存储信息，并按照存储在其内部的程序对海量数据进行自动、高速地处理，然后把处理结果输出的现代化智能电子设备。发展历史：* 第一代计算机(1946-1957) 电子管时代 * 第二代计算机(1958-1964) 晶体管时代 * 第三代计算机(1965-1970) 集成电路时代 * 第四代计算机(1971 以后) 大规模集成电路时代

1946 年, 世界上第一台计算机 ENIAC(electronic numerical integrator and calculator)在美国宾州大学诞生，是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研成的。使用了 17468 只电子管，占地 170 平方米, 重达 30 吨，耗电 174 千瓦，耗资 40 多万美元。每秒可进行 5000 次加法或减法运算。

计算机的体系结构

程序是由指令和数据组成的，而程序只有载入内存才能被计算机执行，那么计算机开机之后怎么知道 CPU、内存等硬件是否良好，怎么知道自身有几块硬盘以及启动次序呢？也就是如何实现“加电自检”？这就需要计算机要有能够实现自举的能力将自身的元件激活，然后加载操作系统，让操作系统去实现自举程序无法实现的功能。那么我们所说的自举程序是什么呢？计算机有是如何实现自举的呢？我们先来了解计算机的体系结构！

计算机的体系结构包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备五大部件组成，这是由美籍匈牙利科学家冯. 诺唯曼于 1946 年提出的。运算器实现运算，控制器控制运算器到内存的什么位置取数据又将数据存在什么位置，存储器在这里我们指的是内存，键盘鼠标是我们的常见的输入设备，屏幕是我们常见的输出设备，而硬盘既是输入设备又是输出设备。

我们以加法器来说一下运算器，其实运算器是由许多个加法器组成的，即使是做减法运算也是将减法换算成加法来进行运算。例如要做二进制“1+0”的加法运算，输入 A 的开关就闭合的，输入 B 的开关就是断开的，然后输出端的就有了电压。但是，运算的过程中有可能会产生进位，因此还有有进位输出。计算机只能进行二进制的运算，为什么呢？如果运算器可以进行十进制“3+5”的运算，我们是否可以将输入 A 加一个 3V 的电压，输入 B 加 5V 电压，最后输出一个 8V 的电压。但是线路是有电阻的，在电的传输过程中就会产生压降，整数的运算尚可以接受，那么小数呢？“0.03+0.05”该如何运算？显然十进制不可以的！

其实这种推论很荒唐，但是不管怎么说运算器是进行二进制的运算。运算器是基于电学和逻辑学实现计算的一种电子设备，是电子设备就要符合电路的基本原理，要实现计算就要通过运算器中大规模逻辑门电路来实现逻辑运算。

内存是平面编址设备，所谓平面编址就是将内存的基本单位从一排到最后。与之相反的一种编址方式是三维编址，例如我们把一个国家分成 34 个省直辖市特别行政区，然后一个省又分成若干个市，市又分成若干个县。所以，到这里大家应该就能明白什么叫平面编址了吧！内存在计算机中起到一个什么作用呢？其实内存存储的是磁信号，而电磁是是可以相互转换的。运算器读内存中的数据时，内存中的磁信号转换成 CPU 针脚上的电信号；反过来，运算器写数据时是通过针脚上有无电压转换到内存中磁信号。

说到内存，我们不得不提一提计算机的位，常见的有 32 位和 64 位。有人常说 32 位的操作系统内存最大可以使用 4G 的内存。这里的位相对于寄存器的位数而言的，现在计算机的寄存器，物理地址总线宽度是相同的，因此在保护模式下 32 位的 CPU 的寻址能力 2^32，也就是 4G；而 64 位的 CPU 的寻址能力为 2^64，也就是 4G 个 4G，当然不是 16G 啊！一般而言，64 位的 CPU 比 32 位的 CPU 运算速度快，但是要想让一个软件有 64 位的速度，前提是 CPU、操作系统和软件都是 64 位！

由于内存是易失性存储设备，我们就期望有一种设备能将运算的结果长久的保存，这就用到了硬盘。输入输出设备其实就是我们与计算机之间交互的一种中间设备，那么当我们敲键盘或点鼠标这种信息是如何被计算机捕捉到呢？在 CPU 内部有一种叫可编程中断控制器用于捕捉我们这种动作信息，然后交由运算器进行处理。

在计算机中运算器的运算速度要比内存快的的多的多，为了提高计算机的运算速度，CPU 内部集成了缓存，缓存的速度比运算器的速度慢但是比内存的速度快。因此，相同主频的 CPU 未必运算速度就一样。缓存要想工作，就要遵循程序的局部性原理，所谓程序的局部性原理包括时间上的局部性和空间上的局部性。时间上的局部性是指上一次访问的数据很有可能再次访问就放到二级缓存再放到一级缓存，空间上的局部性是指现在访问的数据的周围的数据将可能被访问到就载入缓存。

最后，我们回过头来说计算机的自举。ROM 是只读存储器，内部存储了 BIOS（Basic Input Output System）程序，这段程序由计算机的硬件逻辑完成的。计算一开机的时候，ROM 芯片中的 BIOS 程序 (也就我们之前所说的自举程序) 会被映射到内存最开始的地方，然后由这段程序来完成加电自检。我们为什么要花时间来讲计算机的体系结构呢？因为，我们后期的系统调优要用到这些理论性的东西。

计算机的主板上有北桥控制器和南桥控制器，北桥控制器是高速总线控制器，一般用于连接内存等需要速度快且数据量大的设备，然后连接到 CPU；而南桥是低速总线控制器，用于连接速度较慢的键盘鼠标网卡等，然后汇总交由北桥，最后传输到 CPU。而现在，为了提速，内存有可能不在通过北桥连接到 CPU，而是直接连到 CPU；硬盘是机械设备，有的服务器直接采用固态硬盘，然后将固态硬盘接入北桥控制器。这就是硬件调优！

操作系统

试想一下，我们写一个程序在 Intel CPU 上能运行，在 Motorola CPU 上能运行吗？不能！因为这两种 CPU 的运行机制是不同的。CPU 只能识别二进制，如果我们用二进制来编程那就太困难了，因此 CPU 自带微码，也就是汇编语言，汇编语言是人类容易识别的语言，但是汇编语言跟硬件的结合成都很高，在 Intel CPU 上写的程序依然无法在 Motorola CPU 上运行。因此就有人将底层的功能抽象出来提供统一的 API 接口，程序员只需要根据接口编程，不用管底层硬件的不同。这种程序所用的语言就是高级语言。

早期的计算机，输入设备穿孔纸带，输出设备发光二极管，然后由记录员记录计算机的执行结果。再后来就出现了磁带机，磁带机的速度比穿孔纸带的速度快了许多。这个时期出现了批处理系统，所谓批处理系统就是将一批作业提交给操作系统之后就不再干预，由操作系统控制他们自动运行。各个任务之间会有间隔符号，当一个任务结束后，监督程序会识别到任务结束，然后将控制权交由下一个任务。虽然批处理系统能让程序连续运行，减少任务与任务之间空闲时间所消耗的成本，但是计算机计算的速度很快而输入很慢。

于是，在 1964 年，由 AT&T 的 bell 实验室、MIT（麻省理工学院）和 GE（美国通用电气公司）共同研发名为 multics 的分时操作系统，也由此开启了现代操作系统的新纪元。现代操作系统与以往不同之处在于可以实现多任务，使得计算机的计算能力被充分利用。但是计算机只有一颗 CPU 和一段内存，那么该如何实现多任务呢？CPU 的计算能力是根据时间的流逝而完成，因此将 CPU 的运算资源划分成一个一个时间片（slice）。假设每个时间片 1ms、有两个程序，那么第一个程序运行 1ms, 然后第二个程序再运行 1ms, 这样交替执行。内存呢？将内存分段，这里就有了虚拟地址空间的概念，也就是说，32 位操作系统下的程序假设自身有 4G 内存！