前端开发人员中,有相当大比例的同学不是科班出来的,所以对于基本的科班必修课
,例如:计算机组成原理
、操作系统
、计算机网络
、数据结构和算法
等知识接触不多。
当你越深入学习,越会发现这些知识的重要性。
比如大家都知道js里面0.1 + 0.2
是不等于0.3
的,为什么呢?这就牵扯到计算机组成原理中浮点数
的表示方法,以及浮点数
的加减运算(正文会有白话版解答)。
又例如从键盘输入a+b
这个指令,如何通过cpu
的调度输出到屏幕上
呢?这就涉及到冯诺依曼体系
,如果你是编程人员,都不清楚数据从键盘到屏幕的基本流向
,那是时候看看这篇’十全大补文’了
本文是一篇计算机组成原理
最基本的入门文章,我觉得前端没有必要那么深入这个专题,掌握基本的计算机组成原理
的常识即可。
1、计算机的工作原理
首先,计算机最基本的5大组成部分如下图,分别为:输入设备
(比如键盘), 存储器
(比如内存), 运算器
(cpu), 控制器
(cpu), 输出设备
(显示器)。
工作原理如下
1.1 控制器 —> 控制输入设备 —-> 指令流向内存
当我们输入数据的时候,cpu里的控制器
会让输入设备
把这些指令存储到存储器
(内存)上。
1.2 控制器分析指令 —> 控制存储器 —> 把数据送到运算器
控制器分析指令之后, 此时让存储器
把数据发送到运算器
里(控制器
和运算器
都在cpu
里面)
这里需要注意,存储器
既能存储数据
,还能存储指令
1.3 控制器控制运算器做数据的运算 并且将运算结果返回存储器
1.4 控制器控制存储器将结果返回给输出设备
从接下来,我们更近一步,看看计算机内部,CPU是怎么跟存储器交互的。
2、CPU及其工作过程
CPU中比较重要的两个部件是运算器
和控制器
,我们先来看看运算器的主要作用
2.1 运算器主要部件
如上图,运算器里最重要的部件是ALU
,中文叫算术逻辑单元
,用来进行算术
和逻辑运算
的。其它的MQ
,ACC
这些我们不用管了,是一些寄存器
。
2.2 控制器主要部件
控制器中最重要的部件是CU
(控制单元),只要是分析指令
,给出控制信号
。
IR
(指令寄存器),存放当前需要执行的指令
PC
存放的指令的地址。
2.3 举例 – 取数指令执行过程
首先,是取指令的过程如下
- 第一步,
PC
,也就是存放指令地址的地方,我们要知道下一条指令是什么,就必须去存储器拿,CPU
才知道接下来做什么。PC
去了存储器的MAR
拿要执行的指令地址,MAR
(存储器里专门存指令地址的地方) - 第二步和第三步,
MAR
去存储体内拿到指令之后,将指令地址放入MDR
(存储器里专门存数据的地方) - 第四步
MDR
里的数据返回到IR
里面,IR
是存放指令的地方,我们把刚才从存储体里拿的指令放在这里
然后,分析指令,执行指令的过程如下
- 第五步,
IR
将指令放入CU
中,来分析指令,比如说分析出是一个取数指令,接着就要执行指令了(这里取数指令,其实就是一个地址码,按着这个地址去存储体取数据) - 第六步,第七步
IR
就会接着去找存储体里的MAR
(存储地址的地方),MAR
就根据取数指令里的地址吗去存储体里去数据 - 第八步,取出的数据返回给
MDR
(存放数据的地方) - 第九步,
MDR
里的数据放到运算器的寄存器里,这里的取指令的过程结束了。
来个插曲,我们知道数据在内存
里是二进制
存着,也就是0和1
, 0和1
怎么用表示呢?
我们拿其中一种存储0和1的方式来说明
- 电容是否有电荷,有电荷代表1,无电荷代表0
- 如下图
3、计算机编程语言
我们看看机器语言,怎么表示存放一个数的指令,例如下图
我们来看二进制代码
0000,0000,000000010000
- 其中第一个
0000
,表示的是汇编语言里的LOAD
,也就是加载,加载什么呢 - 加载地址
000000010000
上的数据到第二个0000
(寄存器的位置)。
接下来,我们看看如果是汇编语言
怎么表示
LOAD A, 16
意思是将存储体内的16号单元数据,放到寄存器地址A中 ADD C, A, B
意思是将寄存器里的A,B数据相加,得到C STORE C, 17
意思是将寄存器里的数据存到存储体17号单元内
最后,我们看看怎么用高级语言
表示
高级语言是不是很简单,就一个a+b
,你都不用去考虑寄存器
,存储体
这些事。
这部分的总结
高级语言一般有两种方式转换为机器语言
- 一种是直接借助
编译器
,将高级语言转换为二进制
代码,比如c
,这样c
运行起来就特别快,因为编译后是机器语言,直接就能在系统上跑,但问题是,编译的速度可能会比较慢。 - 一种是解释性的,比如
js
,是将代码翻译一行成机器语言
(中间可能会先翻译为汇编
代码或者字节码
),解释一行,执行一行
需要注意的是,按照第一种将大量的高级代码翻译为机器语言,这其中就有很大的空间给编译器
做代码优化,解释性语言就很难做这种优化,但是在v8
引擎中,js
还是要被优化的,在编译阶段
(代码分编译
和执行
两个阶段)会对代码做一些优化,编译后立即执行的方式通常被称为 JIT (Just In Time) Comipler
。
4、进制转换
接下来4.3这个小节会解释为什么0.1 + 0.2 等于0.3
4.1 二进制如何转化为十进制
例如2
进制101.1
如何转化为10
进制。(有些同学觉得可以用parseInt('101.1', 2)
,这个是不行的,因为parseInt
返回整数)
转化方法如下:
上图的规则是什么呢?
二进制
的每个数去乘以2
的相应次方,注意小数点后是乘以它的负相应次方
。 再举一个例子你就明白了,
二进制1101
转为十进制
4.2 十进制整数转为二进制
JS
里面可以用toString(2)
这个方法来转换。如果要用通用的方法,例如:将十进制数(29)
转换成二进制数, 算法如下:
- 把给定的十进制数29除以2,商为14,所得的余数1是二进制数的最低位的数码
- 再将14除以2,商为7,余数为0
- 再将7除以2,商为3,余数为1,再将3除以2,商为1,余数为1
- 再将1除以2,商为0,余数为1是二进制数的最高位的数码
其结果为:11101
4.3 十进制小数转为二进制
方式是采用“乘2取整,顺序排列”法。具体做法是:
- 用2乘十进制小数,可以得到积,将积的整数部分取出-
- 再用2乘余下的小数部分,又得到一个积,再将积的整数部分取出-
- 如此进行,直到积中的小数部分为零,或者达到所要求的精度为止
我们具体举一个例子
如: 十进制 0.25 转为二进制
-
0.25 * 2 = 0.5
取出整数部分:0
-
0.5 * 2 = 1.0
取出整数部分1
即十进制0.25
的二进制为 0.01
( 第一次所得到为最高位,最后一次得到为最低位)
此时我们可以试试十进制0.1
和0.2
如何转为二进制
0.1(十进制) = 0.0001100110011001(二进制)
十进制数0.1转二进制计算过程:
0.1*2=0.2……0——整数部分为“0”。整数部分“0”清零后为“0”,用“0.2”接着计算。 0.2*2=0.4……0——整数部分为“0”。整数部分“0”清零后为“0”,用“0.4”接着计算。
0.4*2=0.8……0——整数部分为“0”。整数部分“0”清零后为“0”,用“0.8”接着计算。 0.8*2=1.6……1——整数部分为“1”。整数部分“1”清零后为“0”,用“0.6”接着计算。
0.6*2=1.2……1——整数部分为“1”。整数部分“1”清零后为“0”,用“0.2”接着计算。 0.2*2=0.4……0——整数部分为“0”。整数部分“0”清零后为“0”,用“0.4”接着计算。
0.4*2=0.8……0——整数部分为“0”。整数部分“0”清零后为“0”,用“0.8”接着计算。 0.8*2=1.6……1——整数部分为“1”。整数部分“1”清零后为“0”,用“0.6”接着计算。
0.6*2=1.2……1——整数部分为“1”。整数部分“1”清零后为“0”,用“0.2”接着计算。 0.2*2=0.4……0——整数部分为“0”。整数部分“0”清零后为“0”,用“0.4”接着计算。
0.4*2=0.8……0——整数部分为“0”。整数部分“0”清零后为“0”,用“0.2”接着计算。 0.8*2=1.6……1——整数部分为“1”。整数部分“1”清零后为“0”,用“0.2”接着计算。
……
……
所以,得到的整数依次是:“0”,“0”,“0”,“1”,“1”,“0”,“0”,“1”,“1”,“0”,“0”,“1”……。
由此,大家肯定能看出来,整数部分出现了无限循环。
接下来看0.2
0.2化二进制是
0.2*2=0.4,整数位为0
0.4*2=0.8,整数位为0
0.8*2=1.6,整数位为1,去掉整数位得0.6
0.6*2=1.2,整数位为1,去掉整数位得0.2
0.2*2=0.4,整数位为0
0.4*2=0.8.整数位为0
就这样推下去!小数*2整,一直下去就行
这个数整不断
0.0011001
所以0.1
和0.2
都无法完美转化为二进制,所以它们相加当然不是0.3
了
5、定点数和浮点数
首先,什么是定点数呢?
5.1 定点数
如上图,举例纯整数的二进制1011
和-1011
,如果是整数
,符号位用0
表示,如果是负数
符号为用1
表示
同理,纯小数表示举例如下:
那如果不是纯小数
或者纯整数
,该怎么表示呢?
比如10.1
, 可以乘以一个比例因子,将10.1 ---> 101
比例因子是10
, 或者10.1 ---> 0.101
比例因子是100
定点数很简单,接下来我们介绍浮点数,再JS里面,数字都是用双精度的浮点数
,所以学习浮点数对我们理解JS的数字有帮助。
5.2 浮点数
浮点数怎么表示呢?
上面是十进制
的科学计数法,从中我们需要了解几个概念,一个是尾数
,基数
和阶码
尾数
必须是纯小数,所以上图中1.2345
不满足尾数的格式,需要改成0.12345
基数
,在二进制里面是2
阶码
就是多少次方
所以浮点数
的通用
表示格式如下:
- S代表尾数
- r代表基数
- j代表阶码
这里需要注意的是,浮点数的加减运算,并不是像我们上面介绍的那样简单,会经过以下几个步骤完成
这些名词大家感兴趣的话,可以去网上查询,我们只要了解到浮点数加减运算
很麻烦就行了,但如果你要做一个浮点数运算的库,你肯定是要完全掌握的。
6、局部性原理和catche(缓存)
先看下图
(说明一下,MDR
和MAR
虽然逻辑上属于主存,但是在电路实现
的时候,MDR
和MAR
离CPU
比较近)
上图是在执行一串代码,可以理解为js的for循环
const n = 1000;
const a = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
for(let i =0; i < n; i++) {
a[i] = a[i] + 2
}
我们可以发现
- 数组的数据有时候在内存是连续存储的
- 如果我们要取数据,比如从内存取出a[0]的数据需要1000ns(ns是纳秒的意思),那么取出a[0]到a[7]就需要1000 * 8 = 8000 ns
- 如果我们cpu发现这是取数组数据,那么我就把就近的数据块a[0]到a[7]全部存到缓存上多好,这样只需要取一次数据,消耗1000ns
cahce
就是局部性原理
的一个应用
空间局部性
:在最近的未来要用到的信息(指令
和数据
),很可能与现在正在使用的信息在存储空间
上是邻近的时间局部性
:在最近的未来要用到的信息,很可能是现在正在使用的信息
可以看到cache
一次性取了a[0]
到a[9]
存储体上的数据,只需要1000ns
,因为Cache
是高速存储器
,跟cpu
交互速度就比cpu
跟主存
交互速度快很多。
接下里,进入最后一节(略过对总线知识的学习),I/O设备的演变
7、I/O设备的演变
I/O是什么呢?
输入/输出(Input /Output ,简称I/O),指的是一切操作、程序或设备与计算机之间发生的数据传输过程。
比如文件读写操作,就是典型的I/O
操作。接下来我们看一下I/O设备的演进过程
在早期的计算机里,
cpu
如何知道
I/O设备
已经完成任务呢?比如说怎么知道
I/O设备
已经读取完一个文件的数据呢?
CPU
会不断查询
I/O设备
是否已经准备好。这时,
cpu
就处于等待状态。也就是
cpu
工作的时候,
I/O
系统是不工作的,
I/O
系统工作,
cpu
是不工作。
接着看第二阶段
-
为了解决第一阶段
CPU
要等待I/O设备
,串行
的工作方式,所有I/O设备
通过I/O总线
来跟CPU
打交道,一旦某个I/O设备
完成任务,就会以中断请求
的方式,通过I/O总线
,告诉CPU
,我已经准备好了。 -
但是对于
高速外设
,它们完成任务的速度很快,所以会频繁中断CPU
, 为了解决这个问题,高速外设跟主存之间用一条直接数据通路,DMA总线
连接,CPU
只需要安排开始高速外设做什么,剩下的就不用管了,这样就可以防止频繁中断CPU
。
最后来看一下第三阶段
第三阶段,CPU通过通道控制部件来管理I/O设备,CPU不需要帮它安排任务,只需要简单的发出启动和停止类似的命令,通道部件就会自动的安排相应的I/O设备工作
本文完结,希望大家点个赞,比心💗。
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