计算机系统学习笔记（0）南京大学（一）第一周

课程：计算机系统基础

核心理念：人类世界与计算机世界的异同

人类世界
- 直观感受
- 数学
计算机世界
- 与数学不同，存储首先，各层次与现实世界不同

我们关注点是差异点！

一样的你就不用关心了，关心差异！差异在哪里呢？

计算机存储是首先了
编译器规则
编码转换规则
……

计算机这个工具，最重要的就是将人类思维产物，使用计算机实现。

因此说，有很多地方，是直接可以直观地去实现逻辑思维过程的（语义上就能理解），但是也有计算机的一些特点，需要我们专门去把握（从计算机本身处理方式和规则去理解）！

面向机器描述，机器级语言：机器语言和汇编语言

二者都是面向机器结构的语言，与机器有关，不同机器（不同的系统结构）就不一样了，移植性不好。

面向算法描述：高级语言

根据人的逻辑思维方式，产生的产物来编程，越来越接近人类思考方式。机器无关！因为内些部分交给编译器处理了，编译器来完成机器相关性的处理，这也是一种封装。

执行hello world程序

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这里值得注意的关键点是缓存技术，我们将存储器进行分层设计，从而 平衡了存储的容量、速度和价格等多方面因素：

缓存1：磁盘存储可执行程序的二进制信息，速度慢容量大价格低
缓存2：执行程序的时候调入内存中，速度比磁盘快的多
缓存3：内存中的二进制代码调入cache中，速度更快
缓存4：cache内容调入到CPU寄存器中，速度最快

我们可以体会到，计算机通过多层次缓存完成了程序的一步步缓冲，通过CPU控制它们，从而有了我们现在看见的计算机系统。

使用高级语言开发程序需要的环境

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早期原始程序开发方式

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早期没有高级语言，也没有那么多的复杂上层环境，我们只需要直接使用汇编语言/机器语言输入到计算机中执行即可，这个过程，对于计算机来说很简单，也不需要有太多复杂的处理，但是对于人类来说，编程是一件非常痛苦的事情啊……

现代高级语言程序开发方式

高级语言的但是，解决了汇编语言开发时代的困难，不过也因此，计算机需要处理的工作复杂起来了，也就是，人类世界通往计算机世界的通道变复杂了。

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那么这里都具体包括了什么呢，我们依次说明一下

人类世界：高级语言

我们发明高级语言，其实是一种对计算机的权衡与妥协。

高级语言

相对来说比较符合人类思维，虽然不是自然语言，但是人类也容易接受
计算机也容易接受高级语言，如果是自然语言，那计算机是接受不了的

权衡之下，高级语言成了人类与计算机世界沟通的通行语言。就像英语是国际通行语言内样。

任何事务都有实体和抽象，人类的是：

实体：人类的肉体
抽象：高级语言

桥梁/通道

桥梁和通道，也可以叫翻译官，它负责连接人类世界和计算机世界

传入和转换
- 传入：键盘，鼠标
  - 通过键盘和鼠标，还有文本编辑器，我们就能够往计算机中输入高级语言并存储在磁盘中 ，完成源程序的编辑
- 转换：人类世界传入的，它给转换成计算机世界能够接受的
  - 对于源程序，我们需要进行一系列的转换，最终将其转换为二进制
  - 源程序 –编译器–> 汇编代码 –汇编器–> 可重定位二进制 –链接–> 二进制的可执行文件
传出和转换
- 传出：显示器
  - 计算机传出信息，通过显示器转换为人类可以识别的信息
- 转换：计算机世界传出的，它给转换为人类世界能够接受的

它的实体和抽象是

实体：键盘、鼠标、显示器、存储器…
抽象：转换逻辑（逻辑的实现构成了编译器、汇编器等）

计算机世界：二进制的世界

计算机世界是最终处理二进制指令和数据的地方。

实体：CPU
抽象：ISA，指令集架构

大管家：操作系统

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操作系统负责接收CPU发出的控制信号，负责管理计算机世界以及桥梁的各种控制方式。

操作系统也接收人类世界发出的命令，让计算机执行，也就是人机接口。

计算机的发展：抽象层次不断提高

ISA是计算机硬件的抽象。

ISA与微架构

微架构就是指令集架构的实现形式，是硬件实现。同一个ISA，可以有不同的微架构来实现，只要完成了ISA规范即可。

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不同指令的组合，实现了通用计算机，否则，如果只能是固定的程序，那就是专用计算机了，就像现在的量子计算机“九章”一样，是专用量子计算机，是不可编程的。

先设计，再实现；先抽象，再具象

对于计算机的发展过程来说，是自底向上一层层抽象和封装的。

但是对于程序员来说，通常是先设计，再实现，也就是从人类思维出发，先完成抽象，再进行实现的，是自上而下的。当然这不是绝对是，人类的思维过程更多会受到整体性的、系统思维的影响。

计算机层次结构

ISA是最重要的层次，它向下影响硬件结构，向上影响操作系统等。

指令集架构是计算机硬件结构的抽象，然后，对于抽象出来是指令，我们可以对其进行各种排列组合，根据人类的抽象思维，来编写程序，让硬件运行起来，指令是可以有各种排列组合的，这也就是通用计算机。

我们编写的程序，如果直接运行，那就只有3层结构，是最原始的通用计算机。

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后来人类发明了助记符，形成了汇编语言，它与机器语言一一对应，但是需要翻译，因此需要汇编器，人类需要编辑汇编指令，也需要管理，因此就初代的操作系统，此时，一个能够实现汇编语言程序设计的二代计算机就诞生了。

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再后来，操作系统演变更加复杂，同时高级语言和编译器也有了，这是现代经典计算机雏形。

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计算机的发展，实现了一层层的抽象和封装，让人类成了会飞的汤姆猫。

这没什么不好的，但是身为计算机专业人士，我们需要足够了解底层机制，如果哪一天帮助飞行的火箭不好用了，我们也能分析原因并处理。

指令集架构ISA是对计算机硬件的抽象
操作系统是对ISA的抽象和保护，它对外仅提供API
编译器汇编器，以及编程语言，调用了操作系统的接口，也就是它提供的系统调用，完成了高级语言的库函数，对程序员进行了进一步封装
程序员现在更多需要关注的是做什么，而不是怎么做，因为大多的功能都被足够的优化和封装了，人类，就应该更多思考人类该做的事情，机器能做的让它自动做，人类就不用思考了，但是，人类必须懂机器在做的事情，这本身就是人类发明的，不懂底层，干啥啥不行。