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本文轉載自微信公眾號「神光的編程秘籍」，作者神說要有光zxg。轉載本文請聯系神光的編程秘籍公眾號。

一些關于計算機原理的思考，大家隨意看看就行。

硬布線到馮諾伊曼

其實最早的計算機是沒有存儲機制的，都是通過硬布線來編程，編程就是布線，后來的電子計算機有了存儲的機制，能夠存儲一些指令和數據，這樣就有了能夠復用的程序的存在基礎，通過電和磁來存儲二進制信息，替代掉了硬布線。

計算機之所以能存儲是因為它是圖靈機模型的實現，存儲的部分對應了圖靈機模型中的紙帶，馮諾伊曼體系結構(現代計算機的體系結構)是圖靈機的實現，它設計了用二進制表示機器碼、存儲以及計算機五大部件：輸入、輸出、控制、運算、存儲。

現在的計算機有 cpu 內的寄存器和 L1、L2、L3 緩存 ，還有內存和硬盤的存儲方式，這 6 級存儲介質就是計算機的存儲體系。計算機發展到現在的存儲體系，存儲已經是一個常識了。存儲是程序復用的基礎，可以重復執行一些編寫好的代碼。而且編譯的出現和發展，使得我們不用輸入機器碼，可以用字符構成的高級語言編程，然后編譯為二進制的機器語言。

cpu 與時鐘和 jump

程序最終是 cpu 執行的，而 cpu 執行什么指令是由 CS + IP 寄存器控制，cpu 會不斷的取這倆寄存器所表示的內存地址的指令，通過數據總線讀入 cpu，用譯碼器譯碼之后用不同電路執行。取指令、譯碼、執行指令，這是 cpu 的一個始終周期，cpu 會無限循環這個過程，指令周期的執行頻率受時鐘控制，有一定的頻率，有的計算機可以支持短時間的超頻，就是提高了這個時鐘的頻率。cpu 是不斷循環時鐘周期的，那么總要有個初始地址，這個地址一般是固定的地址，放計算機通電以后加載的第一條指令，這部分代碼叫做 BIOS(基礎輸入輸出系統)，它是后續一切程序執行的基礎。指令支持跳轉到另一個地址，通過這種方式支持了控制流。就像前面所說，cpu 是不斷循環時鐘周期的，那么總要有種方式來控制它轉向，控制轉向的功能就是通過跳轉指令， 所以說 jump 指令是 cpu 的方向盤。而指令和數據可以放在內存的任何位置，通過 jump 的方向盤控制 cpu 跑到那里。

cpu 是一輛汽車，那么時鐘就是引擎，控制著 cpu 執行指令的頻率，而執行到哪條指令是存在 CS + IP 寄存器里的，它只會往前開，也就是只會不斷的取下一條指令，而轉向(也就是控制流)是由 jump 指令控制的，跑到內存中的任何地方取指令來到 cpu 上跑，而最開始的一段路就是 BIOS 程序所在的地方。

BIOS、裸機和操作系統

BIOS 程序其實一般不會自己寫，除非做嵌入式，直接在裸機(沒有操作系統的計算機)上開發，那需要自己做程序的引導，自己可以控制把指令存在哪，數據存在哪，從哪里取。這種邏輯太過通用，而且只有一個控制流，只有一條路線和風景，不能充分利用 cpu ，為了解決這個問題，出現了操作系統，它能多到多個控制流，也就是汽車有多條行進路線，可以看到不同的風景。

操作系統也有自己的 BIOS 程序，是 cpu 最開始的一段路，把 cpu 帶到操作系統所在的地方，操作系統一般都提供了進程的機制，也把內存管理了起來，不再是隨意的亂用，而是需要需要申請，就像我們企業內會把管理起來的東西做審批流一樣，申請之后才會分配內存，進程的程序就放在這塊內存上。邏輯是一條控制流，進程則是可以有多條控制流，雖然一輛汽車(一個 cpu)只能同時跑一個地方，但是卻可以在其它代碼不需要它的時候去給別的進程跑跑，就像順風車一樣不用的時候帶帶別人一樣。cpu 不是一直在跑么，為啥會有不用它的時候，因為磁盤或者網卡等設備都有自己的控制器，叫做 DMA，當跑到那個地方的時候，會讓 DMA 去搬運東西，就像叫了貨拉拉但自己搬東西一樣。當 DMA 搬運設備數據到內存的過程中，cpu 需要等，就閑下來了。這時候不如去跑跑別的代碼，當然也可以啥也不干就等在那(阻塞的等待)。cpu 是可以在 io 的時候跑別的代碼，跑的路線叫做控制流，控制流也有兩種類型，一種是進程、一種是線程，線程可以訪問進程分配的內存等資源，而不同進程有各自的分配的資源，不能互相訪問，需要用其他內存來做中轉。

我們知道，裸機時程序可以訪問和操作所有內存，由程序自己控制，但是有了操作系統，就要遵循操作系統的規范了，操作系統對于可執行文件有格式的要求，只有一定的格式才能作為機器碼來執行，windows 上是 exe 格式，linux 等系統上是 elf 格式。elf 格式會把文件分為代碼段 (text)、數據段(data)等不同的部分，來放不同的數據，這樣文件加載到內存中會放在不同的地方，然后會從 text 段取代碼執行，從 data 段取全局數據，運行時還有調用棧和堆所占用的內存。不同進程在各自的內存上加載自己的可執行文件，然后在執行時會形成不同的控制流，會在棧和堆上放不同的數據。這是受操作系統限制的內存管理，由操作系統決定，相比裸機少了一些自由(必須做成可執行文件的格式)，但多了各種操作系統提供的能力(系統調用和標準庫)。

操作系統和 vm 的內存管理

操作系統給可執行文件跑起來的進程分配了內存，然后這個進程可以內部再做劃分，比如 vm，會在自己的內存上再做一次內存管理，各種解釋型語言就是跑在這塊內存上，因為自己管理，就不用不同操作系統有不同的內存格式了，可以統一成一種(能跨平臺)。比如 jvm 有方法區、靜態域、堆、棧等等， 而 js vm 有全局作用域(類似靜態域)、調用棧(函數上下文的棧)、堆等。這些 vm 因為自己又做了一層內存管理，所以上面跑的字節碼等受到的內存管理方式不是操作系統的，而是 vm 自己設計的。但是不管怎么設計，總還是要存放代碼、數據的，動態分配基本都是在堆上，全局數據放靜態域，有調用棧維護上下文，這個基本是通用的設計了。

內存管理主要是管理代碼和數據在內存某個位置的寫入和修改，通過變量的方式引用某塊內存，不同的變量類型引用不同大小的內存。從裸機上的隨意修改內存，到操作系統上進程受限制的操作內存，再到 vm 上對內存做的進一步設計。不同層次都會做自己的設計，但是總歸是交給 cpu 來跑的，當 cpu 跑到這塊內存，用 jump 來控制轉向，同時利用操作系統提供的線程能力，可以跑不同的路線(控制流)。

總結

本文主要是梳理了一些計算機的歷史和原理，從硬布線到馮諾伊曼體系，到 6 級的存儲體系的發展過程是發展歷史的部分，而 cpu 的指令周期與時鐘頻率是 cpu 的工作方式，cpu 不斷執行指令周期，跳到別的地方(改變控制流)是通過 jump 指令實現的，上層高級語言基于 jump 封裝出了 if、else、函數調用等。

計算機最開始執行的引導程序是 BIOS，裸機和操作系統都需要，操作系統提供了進程管理的能力，可能同時有多個控制流，而且提供了各種軟硬件管理能力，暴露了系統調用和標準庫。操作系統可以加載一定格式的可執行文件，不同系統有自己的進程的內存管理方式，而 vm 則是在操作系統分配的內存上自己做了一層內存管理，現在很多跨平臺軟件都是基于這種跑在 vm 上的語言的。雖然不同 vm 的內存管理的設計有不同，但堆棧等設計確是通用的。 

注：雖然我們做前端開發不需要了解太多計算機原理，但是理解計算機是提升內功，內功提升了，做任何開發都會有更深入的認識。這篇是隨便寫的一些想法，希望能拋磚引玉，引起大家對計算機原理的一些思考。