課程：計算機系統基礎
核心理念：人類世界與計算機世界的異同
- 人類世界
- 直觀感受
- 數學
- 計算機世界
- 與數學不同，存儲首先，各層次與現實世界不同
我們關注點是差異點！
一樣的你就不用關心了，關心差異！差異在哪里呢？
- 計算機存儲是首先了
- 編譯器規則
- 編碼轉換規則
- ……
計算機這個工具，最重要的就是將人類思維產物，使用計算機實現。
因此說，有很多地方，是直接可以直觀地去實現邏輯思維過程的（語義上就能理解），但是也有計算機的一些特點，需要我們專門去把握（從計算機本身處理方式和規則去理解）！
面向機器描述，機器級語言：機器語言和匯編語言
二者都是面向機器結構的語言，與機器有關，不同機器（不同的系統結構）就不一樣了，移植性不好。
面向算法描述：高級語言
根據人的邏輯思維方式，產生的產物來編程，越來越接近人類思考方式。機器無關！因為內些部分交給編譯器處理了，編譯器來完成機器相關性的處理，這也是一種封裝。
執行hello world程序
這里值得注意的關鍵點是緩存技術，我們將存儲器進行分層設計，從而 平衡了存儲的容量、速度和價格等多方面因素：
- 緩存1：磁盤存儲可執行程序的二進制信息，速度慢容量大價格低
- 緩存2：執行程序的時候調入內存中，速度比磁盤快的多
- 緩存3：內存中的二進制代碼調入cache中，速度更快
- 緩存4：cache內容調入到CPU寄存器中，速度最快
我們可以體會到，計算機通過多層次緩存完成了程序的一步步緩沖，通過CPU控制它們，從而有了我們現在看見的計算機系統。
使用高級語言開發程序需要的環境
早期原始程序開發方式
早期沒有高級語言，也沒有那么多的復雜上層環境，我們只需要直接使用匯編語言/機器語言輸入到計算機中執行即可，這個過程，對于計算機來說很簡單，也不需要有太多復雜的處理，但是對于人類來說，編程是一件非常痛苦的事情啊……
現代高級語言程序開發方式
高級語言的但是，解決了匯編語言開發時代的困難，不過也因此，計算機需要處理的工作復雜起來了，也就是，人類世界通往計算機世界的通道變復雜了。
那么這里都具體包括了什么呢，我們依次說明一下
人類世界：高級語言
我們發明高級語言，其實是一種對計算機的權衡與妥協。
高級語言
- 相對來說比較符合人類思維，雖然不是自然語言，但是人類也容易接受
- 計算機也容易接受高級語言，如果是自然語言，那計算機是接受不了的
權衡之下，高級語言成了人類與計算機世界溝通的通行語言。就像英語是國際通行語言內樣。
任何事務都有實體和抽象，人類的是：
- 實體：人類的肉體
- 抽象：高級語言
橋梁/通道
橋梁和通道，也可以叫翻譯官，它負責連接人類世界和計算機世界
- 傳入和轉換
- 傳入：鍵盤，鼠標
- 通過鍵盤和鼠標，還有文本編輯器，我們就能夠往計算機中輸入高級語言并存儲在磁盤中 ，完成源程序的編輯
- 轉換：人類世界傳入的，它給轉換成計算機世界能夠接受的
- 對于源程序，我們需要進行一系列的轉換，最終將其轉換為二進制
- 源程序 –編譯器–> 匯編代碼 –匯編器–> 可重定位二進制 –鏈接–> 二進制的可執行文件
- 傳入：鍵盤，鼠標
- 傳出和轉換
- 傳出：顯示器
- 計算機傳出信息，通過顯示器轉換為人類可以識別的信息
- 轉換：計算機世界傳出的，它給轉換為人類世界能夠接受的
- 傳出：顯示器
它的實體和抽象是
- 實體：鍵盤、鼠標、顯示器、存儲器…
- 抽象：轉換邏輯（邏輯的實現構成了編譯器、匯編器等）
計算機世界：二進制的世界
計算機世界是最終處理二進制指令和數據的地方。
- 實體：CPU
- 抽象：ISA，指令集架構
大管家：操作系統
操作系統負責接收CPU發出的控制信號，負責管理計算機世界以及橋梁的各種控制方式。
操作系統也接收人類世界發出的命令，讓計算機執行，也就是人機接口。
計算機的發展：抽象層次不斷提高
ISA是計算機硬件的抽象。
ISA與微架構
微架構就是指令集架構的實現形式，是硬件實現。同一個ISA，可以有不同的微架構來實現，只要完成了ISA規范即可。
不同指令的組合，實現了通用計算機，否則，如果只能是固定的程序，那就是專用計算機了，就像現在的量子計算機“九章”一樣，是專用量子計算機，是不可編程的。
先設計，再實現；先抽象，再具象
對于計算機的發展過程來說，是自底向上一層層抽象和封裝的。
但是對于程序員來說，通常是先設計，再實現，也就是從人類思維出發，先完成抽象，再進行實現的，是自上而下的。當然這不是絕對是，人類的思維過程更多會受到整體性的、系統思維的影響。
計算機層次結構
ISA是最重要的層次，它向下影響硬件結構，向上影響操作系統等。
指令集架構是計算機硬件結構的抽象，然后，對于抽象出來是指令，我們可以對其進行各種排列組合，根據人類的抽象思維，來編寫程序，讓硬件運行起來，指令是可以有各種排列組合的，這也就是通用計算機。
我們編寫的程序，如果直接運行，那就只有3層結構，是最原始的通用計算機。
后來人類發明了助記符，形成了匯編語言，它與機器語言一一對應，但是需要翻譯，因此需要匯編器，人類需要編輯匯編指令，也需要管理，因此就初代的操作系統，此時，一個能夠實現匯編語言程序設計的二代計算機就誕生了。
再后來，操作系統演變更加復雜，同時高級語言和編譯器也有了，這是現代經典計算機雛形。
計算機的發展，實現了一層層的抽象和封裝，讓人類成了會飛的湯姆貓。
這沒什么不好的，但是身為計算機專業人士，我們需要足夠了解底層機制，如果哪一天幫助飛行的火箭不好用了，我們也能分析原因并處理。
- 指令集架構ISA是對計算機硬件的抽象
- 操作系統是對ISA的抽象和保護，它對外僅提供API
- 編譯器匯編器，以及編程語言，調用了操作系統的接口，也就是它提供的系統調用，完成了高級語言的庫函數，對程序員進行了進一步封裝
- 程序員現在更多需要關注的是做什么，而不是怎么做，因為大多的功能都被足夠的優化和封裝了，人類，就應該更多思考人類該做的事情，機器能做的讓它自動做，人類就不用思考了，但是，人類必須懂機器在做的事情，這本身就是人類發明的，不懂底層，干啥啥不行。
ISA
ISA說白了就是規范，人們都要按照這個規范去設計計算機硬件和軟件，從而讓所有遵循規范的人能夠互通有無，提高溝通效率。編程語言是唯一全球化的通用語言，這非常酷！
微架構
至于微架構，就是ISA的硬件實現，只需要指定，同樣的ISA，可以使用各種各樣的微架構實現，這很好理解不是嗎，就好比單周期CPU和流水線CPU內樣，或者一個乘法指令可以有很多具體實現方式。
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