【非科班前端】注意了！ 計算機組成原理知識已送到你嘴邊!

前端開發人員中，有相當大比例的同學不是科班出來的，所以對於基本的科班必修課，例如：計算機組成原理、作業系統、計算機網路、資料結構和演算法等知識接觸不多。

當你越深入學習，越會發現這些知識的重要性。

比如大家都知道js裡面0.1 + 0.2 是不等於0.3的，為什麼呢？這就牽扯到計算機組成原理中浮點數的表示方法，以及浮點數的加減運算（正文會有白話版解答）。

又例如從鍵盤輸入a+b這個指令，如何通過cpu的排程輸出到螢幕上呢？這就涉及到馮諾依曼體系，如果你是程式設計人員，都不清楚資料從鍵盤到螢幕的基本流向，那是時候看看這篇'十全大補文'了

本文是一篇計算機組成原理最基本的入門文章，我覺得前端沒有必要那麼深入這個專題，掌握基本的計算機組成原理的常識即可。

1、計算機的工作原理

首先，計算機最基本的5大組成部分如下圖，分別為：輸入裝置(比如鍵盤), 儲存器(比如記憶體), 運算器(cpu), 控制器(cpu), 輸出裝置(顯示器)。

工作原理如下

1.1 控制器 ---> 控制輸入裝置 ----> 指令流向記憶體

當我們輸入資料的時候，cpu裡的控制器會讓輸入裝置把這些指令儲存到儲存器(記憶體)上。

1.2 控制器分析指令 ---> 控制儲存器 ---> 把資料送到運算器

控制器分析指令之後， 此時讓儲存器把資料傳送到運算器裡(控制器和運算器都在cpu裡面)

這裡需要注意，儲存器既能儲存資料，還能儲存指令

1.3 控制器控制運算器做資料的運算 並且將運算結果返回儲存器

1.4 控制器控制儲存器將結果返回給輸出裝置

從接下來，我們更近一步，看看計算機內部，CPU是怎麼跟儲存器互動的。

2、CPU及其工作過程

CPU中比較重要的兩個部件是運算器和控制器，我們先來看看運算器的主要作用

2.1 運算器主要部件

如上圖，運算器裡最重要的部件是ALU，中文叫算術邏輯單元，用來進行算術和邏輯運算的。其它的MQ,ACC這些我們不用管了，是一些暫存器。

2.2 控制器主要部件

控制器中最重要的部件是CU（控制單元），只要是分析指令，給出控制訊號。

IR（指令暫存器），存放當前需要執行的指令

PC存放的指令的地址。

2.3 舉例 - 取數指令執行過程

首先，是取指令的過程如下

• 第一步，PC，也就是存放指令地址的地方，我們要知道下一條指令是什麼，就必須去儲存器拿，CPU才知道接下來做什麼。PC去了儲存器的MAR拿要執行的指令地址，MAR（儲存器裡專門存指令地址的地方）
• 第二步和第三步，MAR去儲存體內拿到指令之後，將指令地址放入MDR(儲存器裡專門存資料的地方)
• 第四步MDR裡的資料返回到IR裡面，IR是存放指令的地方，我們把剛才從儲存體裡拿的指令放在這裡

然後，分析指令，執行指令的過程如下

• 第五步， IR將指令放入CU中，來分析指令，比如說分析出是一個取數指令，接著就要執行指令了（這裡取數指令，其實就是一個地址碼，按著這個地址去儲存體取資料）
• 第六步，第七步 IR就會接著去找儲存體裡的MAR（儲存地址的地方），MAR就根據取數指令裡的地址嗎去儲存體裡去資料
• 第八步，取出的資料返回給MDR（存放資料的地方）
• 第九步，MDR裡的資料放到運算器的暫存器裡，這裡的取指令的過程結束了。

來個插曲，我們知道資料在記憶體裡是二進位制存著，也就是0和1, 0和1怎麼用表示呢？

我們拿其中一種儲存0和1的方式來說明

• 電容是否有電荷，有電荷代表1，無電荷代表0
• 如下圖

  

3、計算機程式語言

我們看看機器語言，怎麼表示存放一個數的指令，例如下圖

我們來看二進位制程式碼 0000，0000，000000010000

• 其中第一個0000，表示的是組合語言裡的LOAD，也就是載入，載入什麼呢
• 載入地址000000010000上的資料到第二個0000（暫存器的位置）。

接下來，我們看看如果是組合語言怎麼表示

LOAD A, 16意思是將儲存體內的16號單後設資料，放到暫存器地址A中 ADD C, A, B意思是將暫存器裡的A,B資料相加，得到C STORE C, 17意思是將暫存器裡的資料存到儲存體17號單元內

最後，我們看看怎麼用高階語言表示

高階語言是不是很簡單，就一個a+b，你都不用去考慮暫存器，儲存體這些事。

這部分的總結

高階語言一般有兩種方式轉換為機器語言

• 一種是直接藉助編譯器，將高階語言轉換為二進位制程式碼，比如c，這樣c執行起來就特別快，因為編譯後是機器語言，直接就能在系統上跑，但問題是，編譯的速度可能會比較慢。
• 一種是解釋性的，比如 js，是將程式碼翻譯一行成機器語言（中間可能會先翻譯為彙編程式碼或者位元組碼），解釋一行，執行一行

需要注意的是，按照第一種將大量的高階程式碼翻譯為機器語言，這其中就有很大的空間給編譯器做程式碼優化，解釋性語言就很難做這種優化，但是在v8引擎中，js還是要被優化的，在編譯階段（程式碼分編譯和執行兩個階段）會對程式碼做一些優化，編譯後立即執行的方式通常被稱為 JIT (Just In Time) Comipler。

4、進位制轉換

接下來4.3這個小節會解釋為什麼0.1 + 0.2 等於0.3

4.1 二進位制如何轉化為十進位制

例如2進位制101.1如何轉化為10進位制。（有些同學覺得可以用parseInt('101.1', 2)，這個是不行的，因為parseInt返回整數）

轉化方法如下：

上圖的規則是什麼呢？

二進位制的每個數去乘以2的相應次方,注意小數點後是乘以它的負相應次方。 再舉一個例子你就明白了，

二進位制1101轉為十進位制

4.2 十進位制整數轉為二進位制

JS裡面可以用toString(2)這個方法來轉換。如果要用通用的方法，例如：將十進位制數（29）轉換成二進位制數， 演算法如下：

• 把給定的十進位制數29除以2，商為14，所得的餘數1是二進位制數的最低位的數碼
• 再將14除以2，商為7，餘數為0
• 再將7除以2，商為3，餘數為1，再將3除以2，商為1，餘數為1
• 再將1除以2，商為0，餘數為1是二進位制數的最高位的數碼

其結果為：11101

4.3 十進位制小數轉為二進位制

方式是採用“乘2取整，順序排列”法。具體做法是：

• 用2乘十進位制小數，可以得到積，將積的整數部分取出-
• 再用2乘餘下的小數部分，又得到一個積，再將積的整數部分取出-
• 如此進行，直到積中的小數部分為零，或者達到所要求的精度為止

我們具體舉一個例子

如: 十進位制 0.25 轉為二進位制

• 0.25 * 2 = 0.5 取出整數部分：0

• 0.5 * 2 = 1.0 取出整數部分1

即十進位制0.25的二進位制為 0.01 ( 第一次所得到為最高位,最後一次得到為最低位)

此時我們可以試試十進位制0.1和0.2如何轉為二進位制

0.1(十進位制) = 0.0001100110011001(二進位制)
十進位制數0.1轉二進位制計算過程：
0.1*2＝0.2……0——整數部分為“0”。整數部分“0”清零後為“0”，用“0.2”接著計算。
0.2*2＝0.4……0——整數部分為“0”。整數部分“0”清零後為“0”，用“0.4”接著計算。
0.4*2＝0.8……0——整數部分為“0”。整數部分“0”清零後為“0”，用“0.8”接著計算。
0.8*2＝1.6……1——整數部分為“1”。整數部分“1”清零後為“0”，用“0.6”接著計算。
0.6*2＝1.2……1——整數部分為“1”。整數部分“1”清零後為“0”，用“0.2”接著計算。
0.2*2＝0.4……0——整數部分為“0”。整數部分“0”清零後為“0”，用“0.4”接著計算。
0.4*2＝0.8……0——整數部分為“0”。整數部分“0”清零後為“0”，用“0.8”接著計算。
0.8*2＝1.6……1——整數部分為“1”。整數部分“1”清零後為“0”，用“0.6”接著計算。
0.6*2＝1.2……1——整數部分為“1”。整數部分“1”清零後為“0”，用“0.2”接著計算。
0.2*2＝0.4……0——整數部分為“0”。整數部分“0”清零後為“0”，用“0.4”接著計算。
0.4*2＝0.8……0——整數部分為“0”。整數部分“0”清零後為“0”，用“0.2”接著計算。
0.8*2＝1.6……1——整數部分為“1”。整數部分“1”清零後為“0”，用“0.2”接著計算。
……
……
所以，得到的整數依次是：“0”，“0”，“0”，“1”，“1”，“0”，“0”，“1”，“1”，“0”，“0”，“1”……。
由此，大家肯定能看出來，整數部分出現了無限迴圈。
複製程式碼

接下來看0.2

0.2化二進位制是
0.2*2=0.4,整數位為0
0.4*2=0.8,整數位為0
0.8*2=1.6,整數位為1,去掉整數位得0.6
0.6*2=1.2,整數位為1,去掉整數位得0.2
0.2*2=0.4,整數位為0
0.4*2=0.8.整數位為0
就這樣推下去！小數*2整,一直下去就行
這個數整不斷
0.0011001
複製程式碼

所以0.1和0.2都無法完美轉化為二進位制，所以它們相加當然不是0.3了

5、定點數和浮點數

首先，什麼是定點數呢？

5.1 定點數

如上圖，舉例純整數的二進位制1011和-1011，如果是整數，符號位用0表示，如果是負數符號為用1表示

同理，純小數表示舉例如下：

那如果不是純小數或者純整數，該怎麼表示呢？

比如10.1, 可以乘以一個比例因子，將10.1 ---> 101 比例因子是10, 或者10.1 ---> 0.101比例因子是100

定點數很簡單，接下來我們介紹浮點數，再JS裡面，數字都是用雙精度的浮點數，所以學習浮點數對我們理解JS的數字有幫助。

5.2 浮點數

浮點數怎麼表示呢？

上面是十進位制的科學計數法，從中我們需要了解幾個概念，一個是尾數，基數和階碼

• 尾數必須是純小數，所以上圖中1.2345不滿足尾數的格式，需要改成0.12345
• 基數，在二進位制裡面是2
• 階碼就是多少次方

所以浮點數的通用表示格式如下：

• S代表尾數
• r代表基數
• j代表階碼

這裡需要注意的是，浮點數的加減運算，並不是像我們上面介紹的那樣簡單，會經過以下幾個步驟完成

這些名詞大家感興趣的話，可以去網上查詢，我們只要瞭解到浮點數加減運算很麻煩就行了，但如果你要做一個浮點數運算的庫，你肯定是要完全掌握的。

6、區域性性原理和catche(快取)

先看下圖

（說明一下，MDR和MAR雖然邏輯上屬於主存，但是在電路實現的時候，MDR和MAR離CPU比較近）

上圖是在執行一串程式碼,可以理解為js的for迴圈

const n = 1000;
const a = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
for(let i =0; i < n; i++) {
    a[i] = a[i] + 2
}
複製程式碼

我們可以發現

• 陣列的資料有時候在記憶體是連續儲存的
• 如果我們要取資料，比如從記憶體取出a[0]的資料需要1000ns(ns是納秒的意思),那麼取出a[0]到a[7]就需要1000 * 8 = 8000 ns
• 如果我們cpu發現這是取陣列資料，那麼我就把就近的資料塊a[0]到a[7]全部存到快取上多好，這樣只需要取一次資料，消耗1000ns

cahce就是區域性性原理的一個應用

• 空間區域性性：在最近的未來要用到的資訊（指令和資料），很可能與現在正在使用的資訊在儲存空間上是鄰近的
• 時間區域性性：在最近的未來要用到的資訊，很可能是現在正在使用的資訊

可以看到cache一次性取了a[0]到a[9]儲存體上的資料，只需要1000ns，因為Cache是高速儲存器，跟cpu互動速度就比cpu跟主存互動速度快很多。

接下里，進入最後一節(略過對匯流排知識的學習)，I/O裝置的演變

7、I/O裝置的演變

I/O是什麼呢？

輸入/輸出（Input /Output ,簡稱I/O），指的是一切操作、程式或裝置與計算機之間發生的資料傳輸過程。
複製程式碼

比如檔案讀寫操作，就是典型的I/O操作。接下來我們看一下I/O裝置的演進過程

在早期的計算機裡，cpu如何知道I/O裝置已經完成任務呢?比如說怎麼知道I/O裝置已經讀取完一個檔案的資料呢?CPU會不斷查詢I/O裝置是否已經準備好。這時，cpu就處於等待狀態。也就是cpu工作的時候，I/O系統是不工作的，I/O系統工作，cpu是不工作。

接著看第二階段

• 為了解決第一階段CPU要等待I/O裝置，序列的工作方式，所有I/O裝置通過I/O匯流排來跟CPU打交道，一旦某個I/O裝置完成任務，就會以中斷請求的方式，通過I/O匯流排，告訴CPU，我已經準備好了。

• 但是對於高速外設，它們完成任務的速度很快，所以會頻繁中斷CPU, 為了解決這個問題，高速外設跟主存之間用一條直接資料通路，DMA匯流排連線，CPU只需要安排開始高速外設做什麼，剩下的就不用管了，這樣就可以防止頻繁中斷CPU。

最後來看一下第三階段

第三階段，CPU通過通道控制部件來管理I/O裝置，CPU不需要幫它安排任務，只需要簡單的發出啟動和停止類似的命令，通道部件就會自動的安排相應的I/O裝置工作

本文完結，希望大家點個贊，比心?。