計算機是怎樣跑起來的
一直對「程式如何在計算機中跑起來的」很感興趣，也看過一些相關的書籍和文章，前段時間在多看閱讀上看到一本相關的書，用了幾天時間看完後，覺得很不錯，用簡單易懂的語言，圍繞計算機是怎樣跑起來的，把相關的知識串起來，雖然每塊講的都很淺，但令人印象深刻。
書的作者是日本的矢澤久雄，作者那個年代，計算機還是8位元微型計算機，面對為數不多的技術，可以從容地把時間花在學習計算機基礎上。但這些基礎知識，即使到了今天也沒有太大變化，即便是面對複雜的最新技術，一旦迴歸到計算機的基礎知識，就會很好理解。
其實不僅是計算機，其他學問亦是如此。首先要劃出一個「知識範圍」，精通一門學問所必知必會的知識都在這個範圍內。其次是掌握該範圍內每個知識點中基礎中的基礎知識。最後是能獨當一面的目標，即掌握了這些知識可以做什麼。
下面是我的閱讀筆記，把重點進行歸納總結。
計算機的三大原則
計算機是執行輸入、運算、輸出的機器
計算機的硬體是由大量IC組成，每塊IC上帶有很多引腳，這些引腳有的用於輸入，有的用於輸出。IC會在其內部對外部輸入的資訊進行運算，把運算結果輸出到外部。
其實計算機就是臺簡單的機器，因為它只能做這三件事。
程式是指令和資料的集合
無論程式多麼複雜，內容都是指令和資料，學習過彙編的應該很清楚。
所謂指令，就是控制計算機進行輸入、運算、輸出的命令。把向計算機發出的指令一條條列出來，就得到了程式。
資料是指令操作的物件，程式設計時，程式設計師會為資料賦予名字，稱其為變數。
計算機的處理方式有時與人的思維習慣不同
用數字表示所有信息，這就是一個很具有代表性的計算機式的處理方法，和人類思維習慣不一樣。例如，人們會用藍色之類的詞語描述有關顏色，計算機會使用0,0,255表示藍色。對文字也是一樣，會把文字編碼成相應的數字再做處理。
試著製造一臺計算機
上面提到，計算機內部主要由被稱作積體電路的元件組成，雖然有各種IC，最重要的三種是：CPU、記憶體、I/O，只要用電路把CPU、記憶體以及I/O上的引腳相互連線起來，為每塊IC提供電源，再為CPU提供時鐘訊號，硬體上的計算機就組裝起來了。
時鐘訊號帶有一個時鐘，滴答滴答地每隔一定時間就變換一次電壓的高低，輸出時鐘訊號的元件叫做「時鐘發生器」，裡面帶有晶振，根據其自身的頻率產生時鐘訊號。時鐘訊號的頻率可以衡量CPU的運轉速度。
書中選取Z80 CPU作為CPU，TC5517作為記憶體，Z80 PIO作為I/O為主要器件，一步一步教我們如何製作一個微型計算機。書中提供了一個電路圖，我跟著作者的逐步介紹，用彩色筆一步步描畫相應的電路，印象深刻。
具體步驟細節我就不再贅述了，感興趣的可以閱讀原書，主要總結下令我印象深刻的幾個點。
IC與普通電器一樣，只有接通電源才能工作，三大器件都分別帶有Vcc引腳和GND引腳，這一對兒引腳用於為Vcc引腳供電，將+5V電源連線到各個IC的Vcc引腳，將0V電源連線到各個IC的GND引腳，時鐘發生器也要連線上，這樣接通電源後這些IC和時鐘發生器就可以工作了。
微信計算機所使用的IC屬於數字IC，每個引腳上的電壓要麼是0V，要麼是+5V，Vcc和GND引腳上的電壓是恆定不變的，其他引腳上的電壓，會隨著計算機的操作在+5V和OV質檢不斷變化。
可以想成0V表示數字0、+5V表示數字1，那麼數字IC就是在用二進位制數的形式收發資訊。
計算機以CPU為中心運轉，要與記憶體和I/O進行資料的輸入輸出，為了指定輸入輸出資料時的源頭或目的地，CPU上備有「地址匯流排引腳」。Z80 CPU 地址匯流排引腳共有16個，所能指定的地址共有2^16，可以指定65536個數據存取單元。
一旦指定了存取資料的地址，就可以使用資料匯流排引腳進行資料的輸入輸出了。Z80的資料匯流排引腳有8個， 可以一次性地輸入輸出8位元的資料，意味著如果想要輸入輸出位數大於8位元的資料，就要以8位元為單位切分這個資料。
CPU的地址匯流排引腳和資料匯流排引腳要與I/O和記憶體對應的引腳相連。
有一個問題，從上面電路圖可以看到，Z80 CPU 使用同一組地址匯流排引腳和資料匯流排引腳連線到了記憶體和I/O上，CPU如何區分訪問的是記憶體儲存單元，還是I/O中的暫存器呢。Z80 CPU上的MREQ和IORQ引腳解決了這個問題，當和記憶體之間有資料輸入輸出時，MREQ引腳上的值是0，反之是1。
對記憶體和I/O而言，還要分清CPU是要輸入資料還是輸出資料，需要用到CPU的RD引腳和WR引腳，與記憶體和IO對應的引腳連線起來。
介紹這麼多，就是讓大家對計算機硬體之間的互動方式有個直觀的認識，程式在這種結構中就可以跑起來，看到想要的結果。
體驗一次手工彙編
先來描述下實現場景：把由指撥開關輸入的資料輸入CPU，然後CPU再把這些資料原封不動地輸出到LED，也就是說，可以通過撥動指撥開關控制LED的亮或滅。
使用匯編語言來程式設計，組合語言是根據表示指令功能的英語單詞起一個相似的暱稱，並將這個暱稱賦予給0和1的組合，這種英文單詞叫做助記符。
組合語言的語法很簡單，即把標籤、操作碼、運算元並排寫在一起，標籤的作用為為該行程式碼對應的記憶體地址起一個名字，這樣後面可以直接跳轉到這個地方。操作碼就是表示做什麼，提供了多少操作碼，CPU就有多少功能。運算元表示的是指令執行的物件，CPU的暫存器、記憶體地址、I/O地址或者直接給出的數字都可以作為運算元。如果某個指令需要多個運算元，用逗號分割，運算元的個數取決於指令型別。
再來說下暫存器。既然資料的運算是在CPU中進行的，那麼CPU內部就應該有儲存資料的地方，就是暫存器。CPU帶有什麼樣的暫存器取決於CPU的種類。Z80 CPU 所帶有的暫存器如下：
比如，A暫存器叫做累加器，是運算的核心，F暫存器叫做標誌暫存器，用於儲存運算結果的狀態，比如是否發生了進位，數字大小的比較結果等。PC暫存器儲存著指向CPU接下來要執行的指令的地址。運算元必須是已儲存在CPU暫存器中的數字。
好了，下面使用匯編語言實現上面說的場景，主要思路是：設定Z80 PIO，為每個埠設定輸入輸出模式，然後與其進行輸入輸出。
// 設定埠(2)為輸入模式，這樣用括號括起來的數字，表示的是地址編號，207表示通知將要設定輸入輸出模式 LD A,207 //把207寫入到暫存器A OUT (2),A //把暫存器A中的資料寫入到IO地址對應的暫存器中 LD A,255 OUT (2),A // 設定埠(3)輸入輸出模式 LD A,207 OUT (3),A LD A,0 OUT (3),A // 進入一段死迴圈，用於把指撥開關輸入的資料輸出到LED燈 LOOP: IN A,(0) OUT(1),A JP LOOP
知識的範圍
這塊內容包括流程控制、資料結構、演算法、面向物件，他們是現代程式設計的基礎，熟練掌握這些知識，編寫實際業務時就簡單了。這些知識都包含的很多內容，大家也都瞭解，就不再介紹了。
資料庫和網路
這塊也比較熟悉，資料庫是資料的基地，方便資料的結構化儲存和檢索，網路解決了機器之間的資料傳遞，要約定好傳輸協議和資料格式，傳輸過程中要考慮資料安全問題。
這塊也不過多介紹了，涉及的知識包括MYSQL等資料庫、TCP/IP等網路協議、資料加密和和簽名、XML可擴充套件標記語言等。
大家平時工作時，要有意識的累積和思考這些知識，它們是比較穩定的，是其他知識的基礎，是程式設計師的內功。
