專欄：JavaEE初階起飛計劃

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一、馮諾依曼體系結構

1.1. 概念

????????馮·諾依曼體系結構（Von Neumann Architecture），是現代計算機的基礎設計概念，核心思想是“存儲程序控制”。具體來說，就是將程序指令和數據存儲在同一個存儲器中，并由計算機順序地從存儲器中取出指令并執行，以完成計算任務。

1.2. 主要組成部分

• 運算器：負責執行所有的算術運算（如加、減、乘、除）和邏輯運算（如與、或、非）。
• 控制器：是計算機的“大腦”，負責解析指令，并發出控制信號，協調和控制計算機各部件的工作。它控制數據的輸入、輸出、存儲、運算等過程。
• 存儲器：用于存儲程序指令和數據。在馮·諾依曼體系中，指令和數據共享同一個存儲空間。
• 輸入設備：用于將外部信息（如鍵盤、鼠標、麥克風等）輸入到計算機中。
• 輸出設備：用于將計算機處理后的信息（如顯示器、打印機、音響等）輸出到外部。

二、CPU

????????CPU，全稱中央處理器，被譽為計算機的“大腦”。它是計算機的核心計算單元，負責解釋計算機指令、處理計算機軟件中的數據，并管理計算機的各項操作。CPU和程序員的關系是非常密切的，因為程序員寫的代碼都是靠CPU運行的。

2.1. CPU的性能指標

• 時鐘速度：以GHz（千兆赫）為單位，表示 CPU 每秒執行的運算次數。數值越大就越好。
• 核心數：20多年前的CPU，都是只有一個核心。現代 CPU 通常包含多個處理核心，每個核心都可以獨立執行指令。核心數越多，CPU 處理多任務的能力越強。
• 指令集架構：不同的 CPU 使用不同的指令集，例如英特爾和 AMD 的 x86 架構，以及 ARM 架構等。
• 緩存大小：緩存越大，CPU 訪問數據的速度越快，從而提高整體性能。

2.2. 指令集

????????計算機的指令集是CPU能夠理解并執行的所有指令的集合。這些指令是CPU進行各種操作（如數據傳輸、算術運算、邏輯判斷、控制流程等）的基本命令。

? ? ? ? 每條指令通常由操作碼和操作數。操作碼指示CPU執行什么操作，操作數指令操作的數據或數據的地址。常見的指令類型有數據傳輸指令、算術指令、邏輯指令、控制流指令等。

2.3. 寄存器和內存

????????寄存器和內存都是計算機中用于存儲數據的重要組件，但它們在功能、速度、容量和用途上有著顯著的區別。寄存器是CPU內部極小、極快的存儲單元。它們直接集成在CPU芯片上，用于暫時存儲CPU當前正在處理的數據和指令。可以把它們看作是CPU的“工作臺”或者“暫存盤”。內存（隨機存取存儲器）是計算機中用于存儲程序指令和數據的主要工作區域。它比寄存器慢，但容量大得多。CPU需要從內存中獲取指令和數據，并將處理結果寫回內存。

? ? ? ? 寄存器和內存的區別：寄存器速度極快、容量極小、成本極高；內存速度較慢、容量較大、成本較低、易失性（大多數RAM是易失性存儲器，這意味著當計算機斷電時，存儲在內存中的數據會丟失）。

三、操作系統

? ? ? ? 操作系統可以被認為是計算機中最關鍵的軟件。

3.1. 概念

????????操作系統是一組復雜的系統軟件，它承擔著計算機系統資源管理與調度的核心職責。具體來說，它主要包含以下幾個方面：

• 資源管理者： 操作系統管理計算機的所有硬件資源（如CPU、內存、硬盤、輸入輸出設備等）和軟件資源（如文件、程序、進程等）。它負責分配這些資源給不同的程序和用戶，并在它們之間進行協調，避免沖突。
• 控制程序： 操作系統控制程序的執行流程，確保程序按照預期的順序和方式運行。它處理中斷、異常和錯誤，保證系統的穩定性和可靠性。
• 服務提供者： 操作系統為應用程序和用戶提供一系列服務。例如，文件管理服務（創建、刪除、讀寫文件）、進程管理服務（創建、調度、終止進程）、內存管理服務（分配和回收內存）以及設備管理服務（控制外圍設備）。
• 用戶接口： 操作系統提供用戶與計算機交互的界面。這可以是圖形用戶界面（GUI），如Windows、macOS，也可以是命令行界面（CLI），如Linux的終端。

3.2. 定位

????????計算機系統的核心，連接用戶與硬件的橋梁，應用程序的運行平臺，以及提升系統效率、可靠性和實現硬件獨立性的關鍵組件。

3.3. 主流的操作系統

• Windows：由微軟創建，1985 年發布 Windows 1.0，從運行在 MS-DOS 上的圖形界面進化為完整操作系統，有多個主要版本；具有多功能性和廣泛兼容性，可在多種設備上運行，適用于多種計算目的，界面用戶友好；但系統要求高，舊硬件運行可能遲鈍，更新頻繁且可能出現更新循環，安全問題較多，存在藍屏死機問題。
• Mac OS：由蘋果在 1990 年代初引入，僅用于蘋果設備；對硬件和軟件控制嚴格，系統穩定、運行流暢、優化良好，在創意專業人士中受歡迎，與蘋果其他設備可無縫同步消息、電話和文件，強制更新和崩潰較少，電池壽命更長；但用戶需購買昂貴蘋果硬件，設備游戲性能不足，部分專業軟件不可用或有限量版。
• Linux 系統：由林納斯?托瓦茲在 1991 年創建，是開源的操作系統家族，不是單一操作系統；輕量、安全，對硬件要求低，可在舊電腦和高性能服務器上運行，任何人可修改或構建版本，有多種發行版，在編程、網絡安全及服務器管理方面廣泛應用，谷歌、Facebook、NASA 等的系統有使用；但對新用戶不友好，界面難理解，許多發行版依賴基于文本的命令，軟件兼容性差，主流應用和游戲大多不為其構建。
• ChromeOS：由谷歌開發，2011 年首次發布，是輕量級、基于云的操作系統；主要與互聯網協同工作，適合常瀏覽網頁、使用網絡應用的用戶，預裝在 Chromebook 上，設備價格實惠、啟動快，自動更新，安全風險低，可訪問 Google Play 商店安裝安卓應用；但嚴重依賴互聯網，無活躍連接時表現不佳，不支持許多桌面應用和高端游戲，難以進行重度多任務處理。

• 安卓：由 Google 開發，是開源操作系統，是世界上最受歡迎的手機操作系統，被多個品牌使用；可改變主題、安裝第三方啟動器，能高度定制系統，有 Google Play 商店，提供大量應用和游戲，有價格實惠和高端旗艦機型；但并非所有設備都能定期獲得更新，可能導致性能變慢和安全風險，存在預裝不可刪除的不必要應用，通常不如 iOS 優化，部分應用運行可能較慢。
• iOS：由蘋果開發，用于驅動 iPhone 和 iPad，是蘋果專有系統；蘋果完全控制硬件和軟件，設備穩定，軟件支持時間長，應用商店應用經過精心挑選，與蘋果其他設備可無縫連接；但缺乏定制性和靈活性，用戶不能自由改變系統，設備通常更昂貴，存儲空間不可擴展，限制多，不能自由從應用商店外安裝應用、輕松傳輸文件，部分設備缺乏可擴展存儲和耳機插孔。