課程：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

核心理念：人類世界與計(jì)算機(jī)世界的異同

• 人類世界
  • 直觀感受
  • 數(shù)學(xué)
• 計(jì)算機(jī)世界
  • 與數(shù)學(xué)不同，存儲(chǔ)首先，各層次與現(xiàn)實(shí)世界不同

我們關(guān)注點(diǎn)是差異點(diǎn)！

一樣的你就不用關(guān)心了，關(guān)心差異！差異在哪里呢？

• 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)是首先了
• 編譯器規(guī)則
• 編碼轉(zhuǎn)換規(guī)則
• ……

計(jì)算機(jī)這個(gè)工具，最重要的就是將人類思維產(chǎn)物，使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

因此說，有很多地方，是直接可以直觀地去實(shí)現(xiàn)邏輯思維過程的（語義上就能理解），但是也有計(jì)算機(jī)的一些特點(diǎn)，需要我們專門去把握（從計(jì)算機(jī)本身處理方式和規(guī)則去理解）！

面向機(jī)器描述，機(jī)器級(jí)語言：機(jī)器語言和匯編語言

二者都是面向機(jī)器結(jié)構(gòu)的語言，與機(jī)器有關(guān)，不同機(jī)器（不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）就不一樣了，移植性不好。

面向算法描述：高級(jí)語言

根據(jù)人的邏輯思維方式，產(chǎn)生的產(chǎn)物來編程，越來越接近人類思考方式。機(jī)器無關(guān)！因?yàn)閮?nèi)些部分交給編譯器處理了，編譯器來完成機(jī)器相關(guān)性的處理，這也是一種封裝。

執(zhí)行hello world程序

這里值得注意的關(guān)鍵點(diǎn)是緩存技術(shù)，我們將存儲(chǔ)器進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，從而 平衡了存儲(chǔ)的容量、速度和價(jià)格等多方面因素：

• 緩存1：磁盤存儲(chǔ)可執(zhí)行程序的二進(jìn)制信息，速度慢容量大價(jià)格低
• 緩存2：執(zhí)行程序的時(shí)候調(diào)入內(nèi)存中，速度比磁盤快的多
• 緩存3：內(nèi)存中的二進(jìn)制代碼調(diào)入cache中，速度更快
• 緩存4：cache內(nèi)容調(diào)入到CPU寄存器中，速度最快

我們可以體會(huì)到，計(jì)算機(jī)通過多層次緩存完成了程序的一步步緩沖，通過CPU控制它們，從而有了我們現(xiàn)在看見的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

使用高級(jí)語言開發(fā)程序需要的環(huán)境

早期原始程序開發(fā)方式

早期沒有高級(jí)語言，也沒有那么多的復(fù)雜上層環(huán)境，我們只需要直接使用匯編語言/機(jī)器語言輸入到計(jì)算機(jī)中執(zhí)行即可，這個(gè)過程，對(duì)于計(jì)算機(jī)來說很簡(jiǎn)單，也不需要有太多復(fù)雜的處理，但是對(duì)于人類來說，編程是一件非常痛苦的事情啊……

現(xiàn)代高級(jí)語言程序開發(fā)方式

高級(jí)語言的但是，解決了匯編語言開發(fā)時(shí)代的困難，不過也因此，計(jì)算機(jī)需要處理的工作復(fù)雜起來了，也就是，人類世界通往計(jì)算機(jī)世界的通道變復(fù)雜了。

那么這里都具體包括了什么呢，我們依次說明一下

人類世界：高級(jí)語言

我們發(fā)明高級(jí)語言，其實(shí)是一種對(duì)計(jì)算機(jī)的權(quán)衡與妥協(xié)。

高級(jí)語言

相對(duì)來說比較符合人類思維，雖然不是自然語言，但是人類也容易接受

計(jì)算機(jī)也容易接受高級(jí)語言，如果是自然語言，那計(jì)算機(jī)是接受不了的

權(quán)衡之下，高級(jí)語言成了人類與計(jì)算機(jī)世界溝通的通行語言。就像英語是國(guó)際通行語言內(nèi)樣。

任何事務(wù)都有實(shí)體和抽象，人類的是：

• 實(shí)體：人類的肉體
• 抽象：高級(jí)語言

橋梁/通道

橋梁和通道，也可以叫翻譯官，它負(fù)責(zé)連接人類世界和計(jì)算機(jī)世界

• 傳入和轉(zhuǎn)換
  • 傳入：鍵盤，鼠標(biāo)
    • 通過鍵盤和鼠標(biāo)，還有文本編輯器，我們就能夠往計(jì)算機(jī)中輸入高級(jí)語言并存儲(chǔ)在磁盤中 ，完成源程序的編輯
  • 轉(zhuǎn)換：人類世界傳入的，它給轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)世界能夠接受的
    • 對(duì)于源程序，我們需要進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換，最終將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制
    • 源程序 –編譯器–> 匯編代碼 –匯編器–> 可重定位二進(jìn)制 –鏈接–> 二進(jìn)制的可執(zhí)行文件
• 傳出和轉(zhuǎn)換
  • 傳出：顯示器
    • 計(jì)算機(jī)傳出信息，通過顯示器轉(zhuǎn)換為人類可以識(shí)別的信息
  • 轉(zhuǎn)換：計(jì)算機(jī)世界傳出的，它給轉(zhuǎn)換為人類世界能夠接受的

它的實(shí)體和抽象是

• 實(shí)體：鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、存儲(chǔ)器…
• 抽象：轉(zhuǎn)換邏輯（邏輯的實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了編譯器、匯編器等）

計(jì)算機(jī)世界：二進(jìn)制的世界

計(jì)算機(jī)世界是最終處理二進(jìn)制指令和數(shù)據(jù)的地方。

• 實(shí)體：CPU
• 抽象：ISA，指令集架構(gòu)

大管家：操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收CPU發(fā)出的控制信號(hào)，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)世界以及橋梁的各種控制方式。

操作系統(tǒng)也接收人類世界發(fā)出的命令，讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行，也就是人機(jī)接口。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展：抽象層次不斷提高

ISA是計(jì)算機(jī)硬件的抽象。

ISA與微架構(gòu)

微架構(gòu)就是指令集架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)形式，是硬件實(shí)現(xiàn)。同一個(gè)ISA，可以有不同的微架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，只要完成了ISA規(guī)范即可。

不同指令的組合，實(shí)現(xiàn)了通用計(jì)算機(jī)，否則，如果只能是固定的程序，那就是專用計(jì)算機(jī)了，就像現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)“九章”一樣，是專用量子計(jì)算機(jī)，是不可編程的。

先設(shè)計(jì)，再實(shí)現(xiàn)；先抽象，再具象

對(duì)于計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程來說，是自底向上一層層抽象和封裝的。

但是對(duì)于程序員來說，通常是先設(shè)計(jì)，再實(shí)現(xiàn)，也就是從人類思維出發(fā)，先完成抽象，再進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，是自上而下的。當(dāng)然這不是絕對(duì)是，人類的思維過程更多會(huì)受到整體性的、系統(tǒng)思維的影響。

計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)

ISA是最重要的層次，它向下影響硬件結(jié)構(gòu)，向上影響操作系統(tǒng)等。

指令集架構(gòu)是計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的抽象，然后，對(duì)于抽象出來是指令，我們可以對(duì)其進(jìn)行各種排列組合，根據(jù)人類的抽象思維，來編寫程序，讓硬件運(yùn)行起來，指令是可以有各種排列組合的，這也就是通用計(jì)算機(jī)。

我們編寫的程序，如果直接運(yùn)行，那就只有3層結(jié)構(gòu)，是最原始的通用計(jì)算機(jī)。

后來人類發(fā)明了助記符，形成了匯編語言，它與機(jī)器語言一一對(duì)應(yīng)，但是需要翻譯，因此需要匯編器，人類需要編輯匯編指令，也需要管理，因此就初代的操作系統(tǒng)，此時(shí)，一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)匯編語言程序設(shè)計(jì)的二代計(jì)算機(jī)就誕生了。

再后來，操作系統(tǒng)演變更加復(fù)雜，同時(shí)高級(jí)語言和編譯器也有了，這是現(xiàn)代經(jīng)典計(jì)算機(jī)雛形。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了一層層的抽象和封裝，讓人類成了會(huì)飛的湯姆貓。

這沒什么不好的，但是身為計(jì)算機(jī)專業(yè)人士，我們需要足夠了解底層機(jī)制，如果哪一天幫助飛行的火箭不好用了，我們也能分析原因并處理。

• 指令集架構(gòu)ISA是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的抽象
• 操作系統(tǒng)是對(duì)ISA的抽象和保護(hù)，它對(duì)外僅提供API
• 編譯器匯編器，以及編程語言，調(diào)用了操作系統(tǒng)的接口，也就是它提供的系統(tǒng)調(diào)用，完成了高級(jí)語言的庫(kù)函數(shù)，對(duì)程序員進(jìn)行了進(jìn)一步封裝
• 程序員現(xiàn)在更多需要關(guān)注的是做什么，而不是怎么做，因?yàn)榇蠖嗟墓δ芏急蛔銐虻膬?yōu)化和封裝了，人類，就應(yīng)該更多思考人類該做的事情，機(jī)器能做的讓它自動(dòng)做，人類就不用思考了，但是，人類必須懂機(jī)器在做的事情，這本身就是人類發(fā)明的，不懂底層，干啥啥不行。

ISA

ISA說白了就是規(guī)范，人們都要按照這個(gè)規(guī)范去設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件和軟件，從而讓所有遵循規(guī)范的人能夠互通有無，提高溝通效率。編程語言是唯一全球化的通用語言，這非常酷！

微架構(gòu)

至于微架構(gòu)，就是ISA的硬件實(shí)現(xiàn)，只需要指定，同樣的ISA，可以使用各種各樣的微架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這很好理解不是嗎，就好比單周期CPU和流水線CPU內(nèi)樣，或者一個(gè)乘法指令可以有很多具體實(shí)現(xiàn)方式。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机系统 学习笔记（0）南京大学（一）第一周的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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