揭开计算机运行的神秘面纱：它到底是如何工作的？

前言

现代计算机之父-- ​冯・诺依曼

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日—1957年2月8日），出生于匈牙利布达佩斯，匈牙利犹太裔美籍数学家、计算机科学家、物理学家和化学家，美国国家科学院院士，生前是普林斯顿高等研究院教授 [1]。约翰·冯·诺依曼早期从事算子理论、共振论、量子理论、集合论等方面的研究，后期转向研究自动机理论研究 [6]。

💬计算机的组成

计算机的工作原理可以概括为“存储程序”和“程序控制”，这一核心思想是由数学家冯・诺依曼提出，因此称为“冯・诺依曼结构计算机”。其工作过程主要围绕输入、处理、存储、输出四个环节展开。 冯・诺依曼结构体系 ​

• CPU（中间处理器）：包含运算器和控制器，进行运算和逻辑判断。是电脑最核心的部分。
  • 运算器：负责算数运算（加减乘除）和逻辑运算；
  • 控制器：相当于计算机的“大脑中枢”，负责其他部件的协调工作，控制程序的执行顺序。
• 存储器：分为外存和内存，用于数据存储（用于二进制方式存储）
  • 内存（主存储器）： 临时存储正在运行的数据和程序，速度快，断电后丢失。
  • 外存（辅助存储器）：长期存储数据，速度慢但是容量大，断电后不丢失（如U盘、硬盘）；
    • 在存储空间中:硬盘>内存>CPU
    • 在数据访问方面：CPU>内存>硬盘
• 输入设备：将外部信息传入计算机（如鼠标、键盘）；
• 输出设备：将计算机处理结果传送给用户（如显示器、打印机）。 ​ 示例理解全过程：输入“1+,2”（输入设备）。被转化为二进制指令和数据，进入内存（存储器）。CPU读取“1”，接收“1”，在读取“2”，接收“2”，运用“加法运算”，计算得出结果“3”（CPU），在存入到内存（存储器），最后显示结果“3”（输出设备）。

💬CPU

🌊CPU的工作流程

CPU的工作流程：取指->译码->执行->写回（核心任务就是执行指令）

1. 取指：控制器从内存或者Cache读取下一条直线的指令，存入指令寄存器。
2. 译码：指令译码器解析指令的含义，确定需要调用哪些硬件部件。
3. 执行：控制器像运算器、寄存器等发送信号，执行指令要求的操作。
4. 写回：将执行结果存入寄存器或内存，为下一指令做准备。

🌊指令

🌟定义

指令是带有指示性、要求特定动作或操作的命令、指示或信号。指定本身也是一个数字，用二进制形式保存在内存的某个区域内。

🌟指令表

• 一条指令=（函数名）4位操作码（opcode）+4位操作数（函数参数）
• CPU通过“流水线技术”让多个指令的不同阶段并行处理（如第一条指令执行时，第二条指令在译码，第三条指令在去取指）

🌊CPU的寄存器

🌟定义

寄存器是CPU内部一种高速存储单元，用于临时存放数据、指令、地址，是CPU与内存、外部设备之间数据处理的“中转站”。

🌊CPU的工作流程

CPU的工作流程：读取指令（从内存读取指令）->解析指令（拆分opcode和操作数）->执行指令（完成运算/数据读写）

执行过程：从地址0开始按顺序执行命令

1.执行地址0的指令（加载数据到寄存器A）

• 读取指令：从地址0读取指令数据为00101110
• 解析指令：操作码（opcode）和操作数分别为0010和1110，将操作码=0010代表内存地址1110存储到寄存器A中，随后进行操作数地址转换为十进制为14
• 执行指令：访问内存地址14，数据为00000011，转为十进制为3，将3存入寄存器A中，此时寄存器中（A=3，B=空）。

2.执行地址1的指令（加载数据到寄存器B）

• 读取指令：从地址1读取指令数据为00011111；
• 解析指令：操作码为0001，操作数为1111，将操作数（1111）存储到寄存器B中，转换为十进制为15；
• 执行指令：访问内存地址15，数据为00001110，转为十进制为14，将14存入寄存器B中，此时寄存器中（A=3，B=14）

3.执行地址2的指令（A+B运算）

• 读取指令：从地址2读取数据10000100，存入寄存器
• 解析指令：操作码（1000）+操作数（0100），将操作数拆分为01（寄存器B的编号）+00（寄存器A编号），转为A=A+B
• 执行指令：运算：A=3+14=17，结果存入寄存器A，此时，寄存器（A=17，B=14）

4.执行地址3的指令（存储寄存器A到内存 ）

• 读取指令：读取地址3的指令为01001101，存入寄存器
• 解析指令:操作码（0100）+操作数（1101），将操作数转为十进制为13，存入寄存器A
• 执行指令：将寄存器A的值17（二进制00010001）代替内存地址13变为为00010001（原地址00000000被覆盖）

5.执行地址4的指令（程序结束）

• 读取指令：读取地址4，数据为00000000
• 解析与执行：程序结束 （程序=指令+指令要处理的数据）

🌊CPU的关键性指标

主频（时钟频率）

• 定义：CPU每秒执行的时钟周期数，单位为GHz（1GHz=10亿次/秒，G相当于10^9,Hz表示1多少次）
• 意义：主频越高，单位时间内发生的时钟周期数越多。

核心数与线程数

• 核心数：CPU内部独立工作的“计算核心”数量，多核心可并行处理多个任务。（核心数越多，效率越高）
• 线程数：通过“超线程技术”让一个核心模拟两个线程，提升多任务处理效率。

💬操作系统

🌀定义

操作系统（Operating System，简称OS）是管理和控制计算机硬件和软件资源的计算机程序，给各种应用程序提供一个稳定的运行环境。

🌀常见的操作系统

• Window操作系统：有微软公司开发，是目前个人计算机使用最广泛的操作系统。具有图形化的用户界面，操作直观简单，软件兼容性好，有丰富的应用软件支持，如Windows10，Window11等。
• macOS：苹果公司开发的专用于Mac系列计算机的操作系统。
• Linux操作系统：是一种开源的操作系统，具有高度的灵活性和可制定性。
• Android操作系统：基于Linux内核开发的移动操作系统，主要用于智能手机、平台电脑登移动设备。
• iOS操作系统：苹果公司开发的操作系统，仅用于苹果的iPhone，iPad等。