软件行业非常迅速，以前流行C,C++java,spring，现在springcloud,docker,微服务，k8s云原生等概念火热，还有各种各样的新技术在不断的涌现出来。但是计算机底层原理 这几十年一直并没有太大的变化，与其不断去尝试新技术，不如耐住性子，深入学习底层的知识，好好修炼“内功”。

计算机的软硬件概念

计算机系统由”软件”和”硬件”2大部分组成

(资料图片仅供参考)

其中软件如果按应用范围分类，一般分为系统软件和应用软件：

系统软件是各类操作系统，如windows、Linux、UNIX等，还包括操作系统的补丁程序及硬件驱动程序，都是系统软件类。应用软件可以细分的种类就更多了，如工具软件、游戏软件、管理软件等都属于应用软件类。

其中计算机硬件经过发展历程：

电子管时代，速度每秒几千次~几万次晶体管时代，速度每秒几万次~几十万次中小规模集成电路时代，速度每秒几十万次~几百万次大规模、超大规模集成电路时代，速度每秒上千万次~万亿次

冯·诺依曼体系结构

1946年，第一台计算机ENIAC诞生，人类进入计算机时代，冯诺依曼和其他计算机科学家们 提出了计算机”存储程序”的计算机设计理念，即将计算机指令进行编码后存储在计算机的存储器中，需要的时候可以顺序地执行程序代码，从而控制计算机运行。还定义计算机基本结构为 5 个部分，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，这就是冯.诺依曼计算机。

实线箭头表示 数据线，虚线箭头表示 控制线和反馈线

冯·诺依曼计算机特点：

计算机由 运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备 五大部件组成， 侧重于硬件抽象将计算机的计算和记忆分开，负责计算的部分由运算器和控制器组成，负责记忆的部分称为存储器指令和数据均用 二进制数 表示指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可 按地址寻访指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序以运算器为中心

现代计算机系统与冯·诺依曼计算机差别不大，最大的区别冯·诺依曼计算机 是 以运算器为中心的，而现代计算机 以储存器为中心：

这张图很重要，大家得记住，我们后文会对其，进行讲解和补充！

接下来，我们分别介绍一下这几个重要组成部分

存储器

存储器是用来存放数据和程序。存储器 包含主存和辅存

主存：直接与CPU交换信息，就是我们熟悉的内存。常见的有内存条辅存：辅存可作为主存的后备存储器，不直接与CPU交换信息，容量比主存大，但速度比主存慢。比如机械硬盘、固态硬盘等我们得注意一下：能和CPU直接交换信息的只有主存，辅存是不直接与CPU交换信息运算器

运算器也叫算数逻辑单元，是进行算数运算和逻辑运算的部件，在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算术运算或逻辑运算，并将运算的结果送到内存储器。

控制器

控制器用来控制、指挥程序和数据的输人、运行以及处理运算结果。计算机在工作时，控制器首先从内存储器中按顺序取出一条指令，并对该指令进行译码分析，根据指令的功能向相关部件发出操作命令，使这些部件执行该命令所规定的任务，执行之后再取出第二条指令进行分析执行。如此反复，直到所有指令都执行完成。

输入设备

输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等

输出设备

输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出、显示器输出等。

中央处理器(CPU)

由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分精密，特别是大型集成电路时代的到来，所以现如今往往会将运算器和控制器集成到同一个芯片上，统称 在中央处理器(CPU)，其功能是从内存储器中取出指令、解释指令并执行指令。

现代CPU内部 还有一个常见的组件，寄存器

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型的存储区域，用来暂时存放参与运算的数据以及运算结果。寄存器由电子线路组成，存取速度非常快，与CPU的速度相当，寄存器的成本较高，因而数量较少。

在CPU中至少要有六类寄存器: 指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、累加寄存器(AC)、程序状态字寄存器(PSW)。

具体见： 聊聊计算机中的寄存器

总线

总线是贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个计算机部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是字（word）。字中的字节数（即字长）是一个基本的系统参数，各个系统中都不尽相同。

现在的大多数机器字长要么是4个字节（32位），要么是8个字节（64位）。本文我们不对字长做任何固定的假设

另外计算机最小的存储单位是字节（byte），1 字节等于 8 位（1Byte=8bit），而位/比特（bit）是计算机最小的数据传输单位。1 字节等于 8 位(1Byte=8bit）这个换算规则大家需要牢记

我们顺便把内存相关的知识串起来：计算机将8个bit归为一组，为字节，每一个字节都对应一个内存地址。内存的地址是从0 开始编号的，然后自增排列，最后一个地址为内存总字节数 – 1。CPU只需要知道某个数据类型的地址, 就可以直接去到对应的内存位置去提取数据了。

总线可分为 3 种：

地址总线，一般用于指定 CPU 将要操作的内存地址；数据总线，一般用于读写内存的数据；控制总线，一般用于发送和接收信号，比如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后，通过控制总线进行响应；

计算机为什么普遍采用二进制？

这是一个很常识性但非常重要的问题，冯.诺依曼计算机也叫存储程序 计算机，其中“存储程序”的概念是 指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

我们更熟悉十进制的运算，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数字，逢十进一。比如中国人从小背的“九九乘法表”其实就是十进制变种。但是计算机中使用二进制，只有0和1两个数字，逢二进一。

采用二进制的原因：

二进制在自然界中最容易被表现出来。自然界中二值系统非常多，电压的高低、水位的高低、门的开关、电流的有无等等都可以组成二值系统，都可以用来做计算机。计算机依靠电力工作，通过电子原件的电压高低反应，很容易就表现出二进制的特性。从某种意义上说，中国古人的八卦是利用符号的二元形态来表示事物，这一点与二进制颇为相同。

64位和32位CPU的区别

64位、32位指的是CPU寄存器的数据宽度，也叫 CPU 的位宽，他们最主要区别在于CPU一次能计算多少字节数据

32位CPU，表明处理器 一次可以计算 4 个字节(Byte)，即一次可以计算32位(bit)数据。64位CPU，表明处理器 一次可以计算 8 个字节(Byte)，即一次可以计算64位(bit)数据。

CPU的位数越高也将会使它的寻址范围、最大内存容量、数据传输和处理速度、数值精度等指标成倍增加，也就是CPU的处理能力得到大幅提升

我们都知道，32位CPU最大支持4G内存,这是怎么算出来的？ 2^32B = 4GB,2^35b = 4GB,注意B和b的区别 “CPU中32位”中的”位”并不是 内存中的”位bit”的概念，对应到内存中其实是”字节Byte”

由于32位最大内存寻址能力只能达到是4G左右，我们就算给32位的电脑装8G的内存条，也无法提高其计算能力

计算机性能

接下来介绍一下关于计算机性能相关的基本概念：

储存器的性能指标

储存器的性能指标主要和以下3个方面有关：

存储容量：存储单元个数 * 储存字长（如1M*8bit）

其中：

MAR位数反映储存单元的个数，即最多能表示多少个不同的状态

n个2进制位能表示 2^n个状态， 2^10=1 K,2^20=1 M,2^30=1 G,2^40=1 T

MDR位数=储存字长=每个储存单元的大小单位成本：每位价格=总成本/总容量。存储速度：数据传输率=数据的宽度/存储周期

另外还有3个概念，再了解一下：

存取时间 又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。存储周期 又称为读写周期或访问周期。它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立地访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。存储器带宽 是单位时间里存储器所存取得信息量。

CPU的性能指标

当我们去京东淘宝上去买，CPU的时候，商家一般会写下面的信息：

12代 酷睿 i7-12700KF 处理器 12核20线程 单核睿频至高可达5.0Ghz 25M三级缓存 台式机CPU

其中除了一下CPU的型号，5.0Ghz是表示CPU性能的一个重要的指标

CPU主频：CPU内核的时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的频率，常用单位为Hz。平时我们打游戏常说的超频，超的就是这个CPU主频。 CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中基本时间单位。

执行一条指令的耗时= CPI * CPU时钟周期, 其中CPI表示 执行一条指令所需的时钟周期数 一段程序的耗时=指令数*CPI * CPU时钟周期， 如果我们想要提升CPU性能问题，其实就是要优化这三者。

系统整体的性能指标

计算机系统的性能主要受是下面3个指标

数据通路带宽

数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）

吞吐量 指系统在单位时间内处理请求的数量。 它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或 存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤中的每一步都关系 到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。响应时间 指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得它所需 要的结果的等待时间。 通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储 器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）

跑分软件，像鲁大师等，就是把多个预设好的程序(基准程序)在计算机上运行，然后根据运行需要 的时间，算出一个分数来评估计算机的性能，以便和其他计算机进行比较。

计算机功耗

通过上文CPU 执行时间 = 指令数*CPI * CPU时钟周期，我们知道程序的 CPU 的性能 受到 指令数、CPI 以及 CPU 主频 的影响， 指令数或者 CPI 工程师，由于影响条件复杂，没法直接干预，或者可能反向干预。主要手段是提高CPU的主频， CPU 变得更快，程序的执行时间自然就会缩短 ，主频越高越好？

答案是否定的 由本文一开始，我们知道现在的计算机里的CPU,都是超大规模集成电路，实际上都是一个个晶体管组合而成的。通过电路的开关的”打开”和”关闭”,来实现计算和储存的能力。要想计算得更快，从硬件角度来说，就是单位体积多放一些晶体管。从软件角度，手动将CPU的主频提升。

但这2种手段，会增加CPU的耗电和散热，即功耗增加。 虽然可以通过降低电压来缓解功耗的问题，但是一味地提升主频，提升的性能效果日益衰弱。后面为了提升性能，不再依赖堆硬件方面，计算机采用了从单核CPU到多核CPU，将CPU执行任务流水线化，高并发多线程等等更多的手段

参考资料：

深入理解计算机系统

计算机组成原理

计算机组成原理(第2版)-唐朔飞

深入浅出计算机组成原理