为解决各种问题，人们发明了不计其数的机器。计算机种类繁多，从嵌入火星漫游机器人的计算机到为操纵核潜艇导航系统的计算机，不一而足。冯诺伊曼在年提出第一种计算模型，无论笔记本电脑还是电话，几乎所有计算机都遵循与这种模型相同的工作原理。那么你们了解计算机是如何工作的吗？本文将讨论这些内容：
◎理解计算机体系结构的基础知识
◎选择编译器将代码转换为计算机可以执行的指令
◎根据存储器层次结构提高数据的存储速度
毕竟，在非程序员看来，编程要像魔法一样神奇，我们程序员不会这么看。
体系结构
计算机是一种根据指令操作数据的机器，主要由处理器与存储器两部分组成。存储器又称RAM（随机存取存储器），用于存储指令以及需要操作的数据。处理器又称CPU（中央处理器），它从存储器获取指令与数据，并执行相应的计算。接下来，我们将讨论这两部分的工作原理。
存储器
存储器被划分为许多单元，每个单元存储少量数据，通过一个数字地址加以标识。在存储器中读取或写入数据时，每次对一个单元进行操作。
为读写特定的存储单元，必须找到该单元的数字地址。
由于存储器是一种电气元件，单元地址作为二进制数通过信号线传输。
二进制数以2为基数表示，其工作原理如下：
每条信号线传输一个比特，以高电压表示信号“1”，低电压表示信号“0”，如图7-1所示。
对于某个给定的单元地址，存储器可以进行两种操作：获取其值或存储新值，如图7-2所示。存储器包括一条用于设置操作模式的特殊信号线。
每个存储单元通常存储一个8位二进制数，它称为字节。设置为“读”模式时，存储器检索保存在单元中的字节，并通过8条数据传输线输出，如图7-3所示。
设置为“写”模式时，存储器从数据传输线获取一个字节，并将其写入相应的单元，如图7-4所示。
传输相同数据的一组信号线称为总线。用于传输地址的8条信号线构成地址总线，用于在存储单元之间传输数据的另外8条信号线构成数据总线。地址总线是单向的（仅用于接收数据），而数据总线是双向的（用于发送和接收数据）。
在所有计算机中，CPU与RAM无时无刻不在交换数据：CPU不断从RAM获取指令与数据，偶尔也会将输出与部分计算存储在RAM中，如图7-5所示。
CPU
CPU包括若干称为寄存器的内部存储单元，它能对存储在这些寄存器中的数字执行简单的数算，也能在RAM与寄存器之间传输数据。可以指示CPU执行以下典型的操作：
◎将数据从存储位置复制到寄存器3；
◎将寄存器3与寄存器1中的数字相加。
CPU可以执行的所有操作的称为指令集，指令集中的每项操作被分配一个数字。计算机代码本质上是表示CPU操作的数字序列，这些操作以数字的形式存储在RAM中。输入/输出数据、部分计算以及计算机代码都存储在RAM中。
通过在RAM中包含重写部分代码的指令，代码甚至可以对自身修改，这是计算机病毒逃避反病毒软件检测的惯用手法。与之类似，生物病毒通过改变自身的DNA以躲避宿主免疫系统的打击。
图7-6取自Intel操作手册，显示了部分CPU指令映射为数字的方法。随着制造工艺的发展，CPU支持的操作越来越多。现代CPU的指令集极为庞大，但最重要的指令在几十年前就已存在。
CPU的运行永无休止，它不断从存储器获取并执行指令。这个周期的核心是PC寄存器，PC（programcounter）是“程序计数器”的简称。PC是一种特殊的寄存器，用于保存下一条待执行指令的存储地址。CPU的工作流程如下：
(1)从PC指定的存储地址获取指令；
(2)PC自增；
(3)执行指令；
(4)返回步骤1。
PC在CPU上电时复位为默认值，它是计算机中第一条待执行指令的地址。这条指令通常是一种不可变的内置程序，用于加载计算机的基本功能。
在许多个人计算机中，这种程序称为BIOS（基本输入输出系统）。
CPU上电后将继续执行这种“获取-执行”周期直至关机。然而，如果CPU只能遵循有序、顺序的操作列表，那么它与一个花哨的计算器并无二致。CPU的神奇之处在于可以指示它向PC中写入新值，从而实现执行过程的分支，或“跳转”到存储器的其他位置。这种分支可以是有条件的。以下面这条CPU指令为例：“如果寄存器1等于0，将PC设置为地址”。该指令相当于：
ifx=0
