一、概述
1、关于计算机原理：
（1）从硬件角度学习计算机的基本工作原理——CPU的基本工作原理。
（2）从操作系统软件角度，学习我们的程序是如何工作起来的——进程管理。
2、程序=指令+数据
程序=算法（有特定意义的指令）+数据结构（有组织的数据）
只有指令，才最终在运行阶段时，被运行程序的计算机的CPU去执行（其中指令也可以看作是一种特殊的数据）。
3、开发阶段->编译阶段->链接阶段（构建阶段）->运行阶段 【程序员 编译器 链接器 CPU】
4、冯诺依曼体系：
处理器（CPU）=运算器+控制器
存储器（Memory）=内存 【storage（二级存储）、memory（内存）】
外部数据（物理数据）进入到存储器via 输入设备（Input Device）
存储器内的数据出来到外部世界via 输出设备（Output Device）
运算器+控制器+存储器+输入设备+输出设备
处理器+存储器+输入设备+输出设备
一些基本功能
【CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断.
存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)
输入设备: 用户给计算机发号施令的设备.
输出设备: 计算机个用户汇报结果的设备】
【 *针对存储空间 ：硬盘 > 内存 >> CPU
*针对数据访问速度 ：CPU >> 内存 > 硬盘 】
5、程序=指令+数据
（1）指令：是一组预规定的动作，表现为一种特殊的数据，需要存储在内存中【利用编码表规定】。
（2）数据:同样需要存储在内存中，前提是（内存是电子元件组装而成以二进制的形式存储。）
6、广义数据在内存的存储问题（数||非数的数据）
（1）“数” 类型的数据在内存中的表示方法（整数（整数型）、小数（浮点型）…）。
有限范围内的整数表示:正码、反码、补码 -> 整型数
有限范围的小数表示：IE标准 ->浮点数
（2）“非数数据” 都会按照一定的标准格式编码成整数。
任何的数据，基本上都是以整型、浮点型进行表示，以保存到内存中。其中，“非数数据”都会按照一定的标准格式编码成整数。接下来的内容我们局限在整型中，但表示的数据可能是整数、指令、字符、图片、声音等…
二、CPU的基本工作原理 （CPU =ALU + CU）
CPU：逻辑算术运算器
【（与、或、非、加、减、乘、除、取余）、控制器、临时存储数据的存储单元（每个只能保存一个整型数、但是不止一个）——寄存器（register）。】
现代的高级CPU为了提升性能，一般都带有缓存（CPU内缓存）
（一）逻辑门
1、非门【真假、假真】
2、与门【串联，两个都为1才为1】【1000】
3、或门【并联，有一个1即为1】【1110】
4、异或门 【相同为0】【0110】
（二）ALU（Arithmetic & Logic Unit） 算术逻辑单元ALU
【负责进行 逻辑+算术运算，需要利用寄存器完成中间数据的临时保存】
算术：加法、减法、乘法、除法、取余
逻辑：与、或、非
利用 与或非 + 异或门 构建8位加法器
1、进制的回顾与理解
246 = 210^2 + 410^1 + 610^0
Ob11011 = 12^4 + 12^3 + 02^2 + 12^1 + 12^0
13进制的数13A6 = 113^3 + 313^2 + A13^1 + 613^0
【遇10进1】和【遇2进1】
2、算术单元(Arithmetic Unit)
算数单元，负责计算机里的所有数字操作，比如四则运算，接下来我们会
带着大家实现一个 8 位（bits）的加法器（adder）。
8位数的加法器 = 1半加器 + 7全加器
（1）半加器：进行两个1位（bit）数的相加
（2）全加器：进行三个1位（bit）数的相加
3、逻辑单元(Logic Unit)
逻辑单元主要用来进行逻辑操作，最基本的操作就是 与、或、非操作，但不只是一位(bit)数的比较。
8位数 ！= 0 的判断
0000 0000 = 0
0000 0001 = 1
… … = 1
1111 1111 = 1
只要有一个1就能够保存下来。
ALU
ALU的基本组成
（1）三个输入：
A：要参与计算的第一个数。
B：要参与计算的第二个数。
C：操作码（opcode），本次的运算是什么，指导ALU进行什么运算。
（2）输出
正常输出：加减乘除都有一个8位数的输出。
额外输出：一般有三个，都只有1个（bit），代表它是否溢出、为0、负数。
（三）控制单元CU（Control Unit）
【CU具有的两个功能：1、控制register <-> memory数据传递的指令 2、驱使ALU进行计算】
1、CU中有两个很重要的寄存器（RAM）
（1）PC寄存器（Program Counter）程序计数器寄存器，下一条要执行的指令在内存中的地址【很重要，可以影响当前CPU的执行流，默认情况下是正常顺序走（自动+1）。CPU中提供了指令，可以修改PC的值（可以带条件），产生分支逻辑】。
（2）IR寄存器（Instruction Register）指令寄存器 ，下一条要执行的指令。
2、指令（Instruction）
指令作为一种特殊的数据，完全也是以整型的形式保存在内存中。
首先，我们先介绍下我们需要到的指令(instruction)。
所谓指令，即指导 CPU 进行工作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成。
其中操作码用来表示要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是寄存器编号等。 指令本身也是一个数字，用二进制形式保存在内存的某个区域中。
流程：（此时人为认为PC为0）
（1）取码阶段
CU根据PC（0）寄存器的值，去内存的响应位置，读取指令（00101110）到IR寄存器。（正常情况下，PC寄存器中的值自动 + 1.）
（2）解码阶段
CU按照预先设计的指令集解读指令数据（opcode + 操作数）
Eg: 0010 1110，人为规定前面四位为操作码（查询指令表可以知道0010代表的意思），后四位才是地址（后四位指定内存的处），地址为10进制的14，从地址为14的内存中加载数据（00000011），加载到例如图中A寄存器中。
（3）执行阶段（CU）
LOAD指令应该由CU执行，所以按照规定执行指令：
从内存为14号地址处将数据（00000011）被读到A寄存器中，就执行结束。
结论：程序顺序执行的秘密
（1）由于硬件中PC在自动+1，所以我们的代码变成的指令才能顺利地执行下去
（2）代码中的一条语句，很可能需要多条指令才能完成。
语句是一组指令的封装抽象
变量是一段内存空间的封装抽象
（3）PC寄存器中的值在这个指令周期中很关键，可以控制执行哪里的指令
3、CPU主频可以粗略地看作：每秒钟CPU能执行多少个指令周期
【周期会一直执行，频率一般就是我们认为的主频】
CPU执行的快慢，就是看CPU执行指令周期的频率（假定每个指令周期的频率恒定）。
4、分支语句
分支语句是怎么来的：（if\else\while\for\break\continue…）
CPU中往往会提供一些指令，这些指令可以去修改PC的值。
通过CPU中预先规定指令，可以修改PC中的值（带条件修改），进而影响执行流（execution flow）。
5、CPU的正常工作流程：取码 -> 编码 -> 执行周期
只要在你的电脑开机状态下，CPU就在不停循环着这个周期。
在硬件CPU的视角中，只有指令的概念，没有指令属于谁的概念！！【即CPU视角是有要执行的下一条指令是什么，改变不知道执行的是属于哪个程序。】
6、CPU的中断模式（Interrupt Mode ）【可以暂停当前的执行流】
正常模式下，CPU可以顺序执行，可以分支执行。但总归只能按照既定顺序去执行。但是现实中很多时候，需要暂停中断CPU的当前执行流，先让CPU去做点其他工作，再回过头来继续原来的执行流。
【CPU硬件中提供了一种机制（中断）让CPU停下
1、保存当前的PC的值到内存的某个位置
2、修改PC的值，让执行其他执行流
3、其他执行流执行结束后，通过将刚才保存的PC值恢复到PC寄存器
4、继续原来的执行流】
中断一般都有编号，内存中提前保存好了中断向量表。
中断经常用作：
（1）IO设备的处理
当有外部数据到达Input设备时，触发某个中断。
让当前正在执行的执行流暂停，切换到Input驱动对应的执行流。
把Input设备中读取到的数据，放到内存中的某个位置。
恢复之前的执行流。
（2）操作系统中用来作进程调度（线程调度）。
