计算机的发展史和基本结构

2.计算机的发展史和基本结构

2.1. 计算机发展史

• 阶段	年代	电子元件	运算速度（每秒/次）
  第一代	$1946-1958$	真空电子管	数千至数万
  第二代	$1958-1964$	晶体管	几十万至几百万
  第三代	$1964-1970$	中小规模集成电路	百万至几百万
  第四代	$1970-2024$	(超)大规模集成电路	几百万至千亿

• 第一台计算机的诞生

  • $1946.2.14$ , 世界上第一台计算机 $ENIAC$（音译：埃尼阿克）在宾夕法尼亚大学诞生。被美国国防部用来进行弹道计算。他可以每秒运行 $5000$ 次加法或 $400$ 次乘法 。
  • 但注意，$ENIAC$ 不满足后问提到的冯诺依曼体系结构。因为他的诞生时间显然比冯诺依曼体系结构的诞生时间还要久远。

• 冯诺依曼体系结构

  • 三个基本原则：二进制逻辑，程序存储执行，以及计算机由五个部分组成（运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备）

• 伟大的计算机学家们：

  • 冯诺依曼 图灵
  • 第一个给计算机写程序的人：阿达·洛芙洛斯

2.2. 计算机基本结构

2.2.1 CPU（中央处理器）

• 主要构成：控制单元 (即控制器) $CU$ ，算术逻辑单元（即运算器） $(AIU)$，存储单元（寄存器）
• 主流64位处理器，一次可处理8位数据。
• 主频（单位 $Hz$ ）越高，运算速度越快。

2.2.2. 存储设备

• 存储器（注意不是寄存器，寄存器是存储器的一种）

  • 存储器分为内存，外存，缓存 ($Cache$)
  • 在内存中，每个存储单元都有唯一的编号称为地址。
  • 存储速度由快到慢：

    cpu寄存器---Cache---内存---外存

• 存储容量单位：

  • 常见的有 $b$ , $B$ , $KB$ , $MB$ , $GB$ , $TB$ , $PB$ 等。
  • 采用 $1024$ 进制 , 如 $1KB=1024B$ ;
  • 例题：一位艺术史学家有 $20000$ 幅 $1024 \times768$ 的 $32$ 位真彩色图像，如果将这些图像以位图形式保存在 $CD$ 光盘上(一张 $CD$ 光盘的容量按 $600M$ 计算)，大约需要多少张 $CD$ 光盘。
  $$\frac{1024 \times 768 \times 32 \times 20000}{8 \times 1024 \times 1024 \times 600}=100$$

2.2.3 输入输出设备

• 常见输入设备：鼠标，键盘，扫描仪，摄像头...
• 常见输出设备：打印机，绘图仪，音响，显示器...