一计算机原理前世今生

Posted 2022-09-18 pythonfor

计算机，言外之意，最初人民设计出来它的时候就是为了解决“计算calculation”的事情，而除了最早期的的算盘以外，最早的是在美国的一次人口普查用的，公元1880年，美国举行了一次全国性人口普查，为当时5000余万的美国人口登记造册。当时美国经济正处于迅速发展的阶段，人口流动十分频繁；再加上普查的项目繁多，统计手段落后，从当年1月开始的这次普查，花了7年半的时间才把数据处理完毕。也就是说，直到快进行第二次人口普查时，美国政府才能得知第一次人口普查期间全国人口的状况。

直到有一位叫“霍列瑞斯”的人，发明了“打孔制表机”，把穿孔纸带改造成穿孔卡片，由于每个人的调查数据有若干不同的项目，如性别、籍贯、年龄等等。霍列瑞斯把每个人所有的调查项目依次排列于一张卡片，然后根据调查结果在相应项目的位置上打孔。例如，穿孔卡片“性别”栏目下，有“男”和“女”两个选项；“年龄”栏目下有从“0岁”到“70岁以上”等系列选项，具体实现是怎么样的呢，让我们来了解下：

他的设备核心思想就是用机械来代替人工计数，上面我们讲到了用卡片上的孔来代表某一项的数据，如图所示，当卡片插入机器时，机器上的小金属针就会到卡片上，如果某个地方有打孔，那么小金属针就会穿过，注入一小瓶汞，联通电路，电路会驱动电机，给某个选项的齿轮+1。这样就用自动的电动机械行为代替了手工运算。当时这类机器的效率是人工运算的10倍。要知道，这个数量级的提升在当时是非常有意义的，也就是说本来一次人工普查的耗时7年，现在减少到不到一年。

 

随着时代的发现和计算需求的逐渐增大，人民需要计算力更强的机器，打孔的本质其实也是区分0和1，因此人民发现有没有更快的方式去去分，这样“继电器”就产生了，如图，当电流流过线圈，线圈产生电磁场，吸引金属臂，从而闭合电路。这个电路可以连到其他电路，比如马达，马达会让计数齿轮+1，类似于上面的打孔制表机。这类型的计算机代表就是哈佛马克系列。

 

 

不幸的是，继电器的质量太大，导致开关的速度也不够快，当时最好的继电，1秒也就翻转40次左右。另外，这些继电器组成的庞大的电路，工作时会发出较高的温度。而正由于这些温度会吸引昆虫。1947年，哈佛马克2型出现了一次重大故障，最后查到原因就是有一只“死虫”把其中的继电器卡住了。因此我们今天计算机故障都叫“bug”！

正是由于以上的缺陷，所以我们又得想更加先进的模式去取代它！中间经历过真空管，直到1947年，贝尔实验室科学家发明了晶体管，一个全新的计算机时代诞生了！晶体管的物理学原理有兴趣的同学可以自己深入理解下，涉及到物理学和量子力学。我们只讲用于计算机的原理及基础。

晶体管有两个电极，我们称之为发射机和集电集。电极之间有一种材料隔开它们，这种材料有时候导电，有时候不导电（这叫半导体），控制线连到一个“门”电极，通过改变基级的电荷，我们可以控制半导体材料的导电性，来允许电流流动获不流动。就实现了和之前真空管、继电器一样的功能。

 

======================①所以到这里为止，我们终于知道了最佳的用于控制0和1的个体元素。====================【所以说计算机就是由晶体管组成的，下面会讲到cpu的三大部件，其实核心本质都是各种晶体管组成的逻辑电路！】

接下来我们就用晶体管组成各类逻辑电路，下面是最简单的一个and电路（“与”门），用两个晶体管可以组成，两个输入一个输出，只有两个输入都是1的时候，输出才为1，否则任何一个输入不为1，结果就不成立：

 

 

 而同理，我们可以组成或门、非门、或非门。然后这些基础门再组成庞大的电路来处理复杂的运算。下面组成了一个“半加器”

而利用“半加器”又可以组装成“全加器”（有进位的加法器）【这些都是“数字逻辑电路”这门课中讲到的原理，有兴趣的同学可以自行深入了解！】

最早的因特尔74181处理器打工用了70个逻辑门，但不能执行乘除，具体的逻辑电路结构如下：

 

 

======================②到这里为止，已经把计算机中的ALU（cpu三大部件之一）讲清楚了。============================

寄存器，也是由晶体管组成的，看以下两个电路，第一个电路，开始的时候A、B输入都为1，那么输出也为1，如果之后A设为0，由于是AND门，输出会变成0，无论后面输入变成什么，output一直为0.因此，这个电路能记录0；

 同理下面这个电路可以记录1

 

 现在有了能记录0和1的电路，我们把它们组合起来，变成AND-OR锁存器，它有两个输入，“设置”输入，把输出可以变成1，“复位”输入

，把输出可以变成0。如果“设置”和“复位”都是0，电路会输出最后放入的内容。（大家可以自己模拟试以下，只要复位不为1，输出就永远是上一次的输入！）也就是说，它存住了1bit的信息，这就是传说中的内存原理！！！

 

 

 

 ======================到这里为止，已经把计算机中的寄存器（cpu三大部件之一）讲清楚了。============================

 

 cpu控制器由两个阶段组成，第一个阶段就是“取指令阶段”，第二个阶段是“解吗阶段”，这两种都是通过电路连接解决。这部分用视频过程演示可以会更清楚，文字的描述篇幅太大了（具体过程可以参考视频讲解，关注微信公众号后，直接发信息即可，我会把视频链接发给大家）。 

 ======================到这里为止，已经把计算机中的控制器（cpu三大部件之一）讲清楚了。============================

剩下的就是执行程序了，有好多好多程序语言，最本质的原理无非是每一个程序指令会和机器码对应，而计算机也保存着这份对应关系。以便用作解码用。

而最终程序也是放在存储中，让cpu控制器去取了，然后逐条执行完成计算。这样就是cpu最简单的工作模型。

总结下，计算机核心部件如下，而cpu内部包括内存都是由晶体管组成的，其实就看我们如何去做我们的集成电路！

 

可以关注公众号“python三人行”，我们会定期分享讨论数据、架构、算法以及计算机或操作系统底层原理，欢迎参与！

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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【1】什么是操作系统？

“操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。”------这个是百度百科的解释

其实最简单的理解就是一个程序，一通电第一个启动的程序，包含了shell和kernel两个模块，shell对接其他应用程序，也就是用户；而kernel对接硬件，这里硬件包含了计算机的底层硬件，另外还有一些外设（包括键盘、鼠标等）

计算机底层硬件其实最主要由三部分构成：CPU、内存和磁盘，其中CPU和内存都是由三极管构成的（此部分如果想深入了解可以看计算机原理，或联系楼主微信allenforu，我这边有快速理解的视频资料可分享，这里不展开来讲）

因此操作系统为了管控其他各类的应用程序，它有特殊的权限，它的最重要的作用就是把实际的CPU、磁盘、内存分布抽象成进程、文件、地址空间。所以操作系统是一个非常复杂的软件，像window操作系统一共有4500万行的代码

所以一般人不可能读完所有源码，我们读懂其中自己关心的一部分已经是很不错了！

 

上面说到操作系统是一通电第一个启动的程序，因此我们来看下启动的过程及原理：

DISK：存放OS

Bios：基本I/O处理系统

芯片里的电路结构会把CS设置为0xFFFF，IP设置为0x0000，这样组成的地址就是0xFFFF0，而这个就是BIOS的入口地址，因此通电以后第一时间，CPU读取这个地址的代码。然后BIOS去读取放在磁盘里的OS，这样OS就被运行起来了！

操作系统的三种：

1）中断：外设

2）异常：应用程序意想不到的行为

3）系统调用：应用程序请求操作提供服务

 

 

 

【2】

 

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