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计算机基础

一、CPU​

在计算机世界中无论是软件还是硬件都离不开CPU。CPU是通过在单个计算机芯片上放置数十亿个微型晶体管来构建的。

CPU全称Central Processing Unit --------------->中央处理器，是计算机中的核心组件，它相当于计算机的大脑。

CPU的工作流程：取指令--------->指译码--------->指令执行--------->访问取数--------->结果写回

  • 取指令：将内存中的指令读取到CPU中的寄存器中，程序计数器用于存储下一条指令所在的地址
  • 指令译码：指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法
  • 执行指令：完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能
  • 访问取数：根据指令的需要从内存中提取数据。根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。
  • 结果写回（Writer Back，WB）：把执行指令阶段的运行结果数据写回到某种存储形式——结果数据经常被写到CPU内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取。

CPU的主要结构：控制单元 和 算术逻辑单元（ALU）

控制单元：从内存中提取指令并解码执行

算术逻辑单元（ALU）：处理算数和逻辑运算

CPU的内部结构：

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  1. 寄存器：用于暂存指令、数据和地址，可以看做内存的一种，一个CPU内部会有20-100个寄存器
  2. 控制器：负责把内存上的指令、数据读入寄存器，并根据指令的结果控制计算机
  3. 运算器：负责运算从内存中读入寄存器的数据
  4. 时钟：负责发出CPU开始计时的时钟信号

主要理解寄存器：

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其中程序计数器（Program Counter，PC）、标志寄存器、累加寄存器、指令寄存器、栈寄存器只有一个

其他寄存器包含多个

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二、RAM（随机存取存储器）​

RAM全称Random Access Memory --------------->随机存取存储器或主存（内存）

RAM是与CPU直接进行数据交换的存储器，可以随时读取，速度非常快，通常作为操作系统和正在运行中的程序的临时数据存储介质

三、计算机语言​

1.低级语言：机器语言（二进制）、汇编语言

2.高级语言：java、c语言等

高级语言需要编译成机器语言才能运行，汇编语言需要经过汇编器才能转换为机器语言

四、内存​

内存（Memory）或主存是程序与CPU进行沟通的桥梁，用于存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。计算机所有的程序的运行都是在内存中进行的。

内存的内部都是由各种IC电路组成的，主要分为三种：

  • 随机存储器（RAM）：可读可写数据，关机时内存中的信息会丢失
  • 只读存储器（ROM）：只能用于数据的读取，关机时数据不会丢失
  • 高速缓存（Cache）：分为一级缓存（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）、三级缓存（L3 Cache）这些数据，位于内存和CPU之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。当 CPU向内存写入数据时也会将这些数据写入高数缓存中。当CPU读取数据是会直接从高速缓存中读取，若高速缓存中没有再从内存中读取。

内存IC（Integrated Circuit，集成电路）：

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低字节序列：将数据的低位存储在内存低位

高字节序列：将数据的高位存储在内存低位

数据结构：

  • 数组
  • 栈
  • 队列：顺序队列、循环队列（以环状缓冲区（ring buffer）的形式实现）
  • 链表
  • 二叉树

五、二进制​

二进制左移一位：相当于十进制乘以2,左移后在低位补0即可

二进制右移：

  1. 逻辑右移：当二进制数的值表示图形模式而非数值时，右移后在高位补0即可
  2. 算数右移：若使用二进制补码表示负数，那么右移后在高位补1；若二进制数表示正数，则右移后在高位补0即可。

左移右移结论：

左移时，无论是图形还是数值，移位后，只需要将低位补О即可;右移时，需要根据情况判断是逻辑右移还是算数右移。

有符号二进制：最高位代表符号位，0代表正数，1代表负数

在计算机中只有加法计算，进行减法计算时其实是加上负数的二进制补码

二进制补码：二进制各位全部取反后在加1

所以负数的二进制表示就是求其补码，补码的求解过程就是对原始数值的二进制数各位取反，然后将结果＋1

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算数：将二进制数表示的信息作为四则运算的数值来处理

算数运算：加减乘除四则运算

逻辑：将二进制数表示的信息处理为单纯的0和1的罗列

逻辑运算：逻辑非（NOT）、逻辑与（AND）、逻辑或（OR）、逻辑异或（XOR）

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六、压缩算法​

文件是字节数据的集合体，且文件中的字节数都是连续存储的

无损压缩：能够无失真地从压缩后的数据重构，准确地还原原始数据。如查分编码、RLE、Huffman编码、LZW编码、算术编码

有损压缩：有失真，不能完全准确地恢复原始数据。如预测编码、音感编码、分形压缩、小波压缩、JPEG/MPEG

对称性：若编码和解码算法的复杂性和所需时间差不多，则为对称的编码方法。多数压缩算法都是对称的。非对称编码一般是编码难而解码容易，如Huffman编码和分形编码，但用于密码学的编码方法则是编码容易解码非常难。

帧间、帧内：在视频编码中会同时用到帧内与帧间的编码方法。

  1. 帧内编码：在一帧图像内独立完成的编码方法，如同静态图像的编码，如JPEG
  2. 帧间编码：需要参照前后帧才能进行编解码，并在编码时考虑对帧之间的时间冗余进行压缩，如MPEG

实时性：

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分级处理：

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1.RLE算法​

RLE（Run Length Encoding，行程长度编码）算法：将文件内容用 数据*重复次数 的形式来表示的压缩算法。对连续重复的字节序列压缩效果比较好。

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2.莫尔斯编码（摩斯密码）​

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3.哈夫曼算法​

哈夫曼算法：为各压缩文件分别构建最佳的编码体系，并依据该编码体系进行压缩。

使用哈夫曼算法压缩过的文件中，存储着哈夫曼编码信息和压缩过的数据

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哈夫曼算法中通过借助哈夫曼树构造编码体系，即使在不使用字符区分符号的情况下，也可以构建能够明确进行区分的编码体系

哈夫曼树的构造过程：哈夫曼数是叶生枝构造出来的

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哈夫曼树的核心就是出现频率越高的数据所占的位数越少，使用哈夫曼树能够提高压缩比

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4.可逆压缩、非可逆压缩​

图像文件的数据格式：

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可逆压缩：可以还原到压缩前状态的压缩

非可逆压缩：无法还原到压缩前状态的压缩

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七、磁盘​

磁盘和内存斗具有存储功能，磁盘属于外部存储设备，内存属于内部存储设备。

内存是通过电流来实现存储，电脑断电后数据会丢失

磁盘是通过磁记录技术来实现存储，数据可以长久保留

磁盘中存储的程序必须加载到内存才能运行

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1.磁盘缓存技术​

磁盘缓存技术：把从磁盘中读取的数据存储到内存，磁盘缓存大大改善了磁盘访问的速度

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2. 虚拟内存​

虚拟内存是内存和磁盘交换的第二个媒介。虚拟内存是指把磁盘的一部分作为假想内存来使用。这与磁盘缓存是假想的磁盘相对，虚拟内存是假想的内存。

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术，它使得应用程序认为它拥有连续可用的内存（一个完整的地址空间），实际上这个应用程序通常被分割成多个物理碎片，还有部分存储在外部磁盘管理器上，必要时进行数据交换。

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由于CPU只能执行加载到内存中的程序，因此，虚拟内存的空间就需要和内存中的空间进行置换（swap），然后运行程序

虚拟内存与内存的交换方式：

虚拟内存的存储方式有分页式和分段式两种

Windows采用的分页式虚拟内存，把应用程序按照4kb的页进行切分，以页（page）为单位放到磁盘中，然后进行置换。在分页式中，把磁盘的内容读到内存中称为Page In，把内存的内容写入磁盘称为Page Out。

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3.内存优化​

从根本上解决内存不足的方式：

  1. 增加内存条的容量（需要花钱）

  2. 优化应用程序，使其尽量变小

使用虚拟内存技术无法从根本上解决内存不足的情况，因为在使用虚拟内存进行Page In和Page Out 时通常伴随着低速的磁盘访问，这是一种得不偿失的方表现。

C语言优化应用程序：

  1. 通过DDL文件实现函数共有

​ DDL（Dynamic Link Library）文件，是一种动态链接库文件，是程序在运行时可以动态加载Library（函数和数据集合）的文件。多个应用程序可以共有同一个DLL文件，通过共有一个DDL文件可以达到节约内存的效果。

静态链接（Static Link）会造成资源的浪费

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动态链接

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  1. 通过调用_stdcall来减少程序文件的大小

    _stdcall（standard call，标准调用）

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​ C语言与Java最主要的区别之一在于C语言需要人为控制释放内存空间

栈清理工作：

  • 在调用方法处执行清理工作
  • 在反复调用方法处执行清理工作（_stdcall也称为反复调用方法，使用的就是这种栈清理方式）

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4. 磁盘物理结构​

磁盘是将其物理表面划分成为多个空间来使用的，有可变长划分方式和扇区划分方式，可变长方式是将物理结构划分成长度可变的空间；扇区方式如下图所示，Windows所使用的的硬盘和软盘都是使用扇区这种方式。

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八、操作系统环境​

运行环境=操作系统+硬件

操作系统：如：Windows、Linux、unix

处理器（CPU）：计算机算力，每秒钟能处理的指令数

显卡：承担图形输出的任务，也称为图形处理器（GPU，Graphic Processing Unit）

内存

存储空间

CPU只能解释其自身固有的语言，不同的CPU能解释的机器语言的种类也是不同的。

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  1. Windows操作系统克服了CPU以外的硬件差异

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FTP（File Transfer Protocol）是连接到互联网上的计算机之间的传送文件的协议。

九、BIOS和引导​

BIOS（Basic Input/Output System），BIOS存储在ROM中，是预先内置在计算机主机内部的程序。BIOS除了键盘、磁盘和显卡等基本控制外，还有引导程序的功能。引导程序是存储在启动驱动启示区域的小程序。

引导程序的功能时把在硬盘等记录的OS加载到内存，OS无法自己启动自己，而是通过引导程序启动的。

十、操作系统​

操作系统是多个程序的集合体

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系统调用：调用能够控制计算机硬件功能的函数

高级语言的机制就是使用独自的函数名，然后在编译的时候将其转换为系统调用的方式。也就是说，高级语言编写的应用在编译后，就转换成了利用系统调用的本地代码。

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