02-冯诺依曼体系结构和语言

一、计算机基础知识

1.1、计算机体系结构

• 五大核心部件

  • CPU由运算器和控制器组成
    • 运算器，完成各种算数运算、逻辑运算、数据传输等数据加工处理
    • 控制器，控制程序的执行，是计算机的大脑，运算器和控制器组成计算机的中央处理器（cpu），控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计算器控制指令的执行，控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的工作流程。
  • 存储器，用于记忆程序和数据，例如内存
  • 输入设备，将数据或者程序输入到计算机中，例如键盘、鼠标
  • 输出设备，将数据或程序的处理结果展示给用户，例如显示器、打印机等
  • CPU中还有寄存器和多级缓存Cache

• cpu并不是直接是直接从速度慢的IO设备上直接读取数据，cpu可以从较慢的内存中读取数据到cpu的寄存器上运算

• cpu计算器的结果也会写入到内存中，而不是写入到IO设备上

1.2、编程语言分类

• 计算机语言
  • 人与计算机之间交互的语言
• 机器语言
  • 一定位数组成二进制的0和1的序列，称位机器指令，机器指令的集合就是机器语言
  • 与自然语言差异太大，难学，难懂，难写，难记，难查错
• 编程语言
  • 用一些助记符号替代机器指令，称之为编程语言，ADD A,B指的是将寄存器A的数与寄存器B的数相加得到的数存放在寄存器A中
  • 汇编语言写好的程序需要汇编程序转换成机器指令
  • 汇编语言只是稍微好记了些，可是认为就是机器指令对应的助记符。只是符号本身就近自然语言
• 低级语言
  • 面向机器的语言，包括机器语言，汇编语言
  • 不同的机器不能通用，不同的机器需要不同的机器指令或者编程程序
• 高级语言
  • 接近自然语言和数学语言的计算机语言
  • 高级语言首要书写源程序，通过编译程序把源程序转换成机器指令的程序
  • 1954年正式发布Fortran语言是最早的高级语言，本意是公式翻译
  • 人们只需要关心怎么书写源程序，针对不同机器的编译的事交给编译器关心处理
    

1.3、低级语言到高级语言

• Linux上运行的指令在windows上没办法运行是因为ABI不同即应用程序二进制接口
• 语言越高级，越接近人类的自然语言和数学语言
• 语言越低级，越能让机器理解
• 高级语言和低级语言之间需要一个转换的工具：编译器、解释器
• 编译语言
  • 把源代码转换成目标机器的CPU指令
  • C、C++等语言的源代码需要本地编译
• java、Python、C# 的源代码需要被解释器编译成中间代码（Bytecode），在虚拟机上运行
• 编译语言，把源代码转换成目标机器的CPU指令
• 解释语言，解释后转换成字节码，运行在虚拟机上，解释器执行中间代码（python是解释型语言）

1.4、高级语言的发展

• 非结构化语言
  • 编号或标签，GOTO，子程序可以有多个入口和出口
  • 有分支、循环
• 结构化语言
  • 任何基于结构只允许是唯一入口和唯一出口
  • 顺序、分支、循环、废弃GOTO
• 面向对象语言
  • 更加接近人类认知世界的方式，万事万物抽象成对象，对象间关系抽象成类和继承
  • 封装、继承、多态
• 函数式语言
  • 古老的编程方式，应用在数学计算，并行处理的场景，引入到了很多现代高级语言中
  • 函数是“一等公民” 高级函数

1.5、程序Program（程序、写程序难点）

• 程序
  • 算法 + 数据结构 = 程序
  • 数据一切程序的核心
  • 数据结构是数据在计算机中的类型和组织方式
  • 算法是处理数据的方式，算法有优劣之分
  • 只有选对了合理的数据结构，并采用合适的操作该数据结构的算法，才能写出高性能的程序。
• 写程序的难点
  • 理不清数据
  • 搞不清处理方式
  • 无法把数据设计转换成数据结构，无法把处理方法转换成算法
  • 无法用设计范式来进行程序设计
  • 世间程序皆有BUG，但不会debug