计算机组成原理——概述篇

计算机发展历史

电子管计算机(1946年——1958年)

第一台计算机为ENIAC诞生于美国宾夕法尼亚大学

特点：

1. 集成度小，空间占用大

2. 功耗高，运行速度慢

3. 操作复杂，更换程序需要接线

晶体管计算机(1958年——1964年)

TX-0，麻省理工学院

PDP-1

特点：

1. 集成度相对较高，空间占用相对小

2. 功耗相对较低，运行速度更快

3. 操作相对简单，交互更加方便

贝尔实验室发明晶体管

集成电路计算机(1964年——1970年)

7094 计算机

1401 计算机

此时出现操作系统IBM的System/360

特点：

1. 计算机变得更小

2. 功耗更快

3. 计算速度更快        

4. 计算机具备进入千家万户的条件

超大规模集成电路计算机(1970年——至今)

代表人物乔布斯发明apple和apple二代

特点：

1. 一个芯片集成了上百万的晶体

2. 管速度更快，体积更小，价格更低，更能被大众接受用途丰富

3. 文本处理、表格处理、高交互的游戏与应用

 

计算机分类 

超级计算机

特点：

1. 功能最强，运算速度最快，存储容量最大的计算机

2. 多用于国家高科技领域和简短技术研究

3. 标记他们运算速度的单位是TFlop/s

大型计算机

特点：

1. 大型机，大型主机，主机

2. 既具有高性能，可处理大量数据与复杂的运算

3. 在大型机市场领域，IBM占据着很大的份额

 

 

迷你计算机

特点：

1. 也称小型机，普通服务器

2. 不需要特殊的空调场所

3. 具备不错的算力，可以完成较复杂的运算

l 普通服务器已经取代了传统的大型机，成为大规模企业计算的中枢

工作站

1. 高端的通用型计算机，提供比个人计算机更强大的性能

2. 类似于普通的台式电脑，提及较大，但性能较强

微型计算机（最常用

特点：

1. 又称个人计算机，是最普通的一类计算机

2. 麻雀虽小，五脏俱全

3. 个人计算与前面的分类无异

 

冯诺伊曼计算机体系

定义：将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构。

历程：早起计算机固定用途程序 => 改变程序结构重新设计电路 => 程序不同同时进行 => 把程序指令存储变设计通用电路

组成：输入设备，存储器，运算器，控制器，输出设备

功能：

1. 能够把需要的程序和数据送至计算机中（输入设备实现

2. 能够长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力（存储器

3. 能够具备算术、逻辑运算和数据传输等数据加工处理的能力（控制器、运算器

4. 能够按照要求将处理结果输出给用户（输出设备

 输入=> 运算器+存储器+控制器 => 输出CPU =  运算器+控制器 

冯诺伊曼瓶颈：cpu 和 存储器分开，容易导致cpu空转，长时间等待接受数据 

 

现代计算机的结构（解决冯诺伊曼瓶颈问题）：

在冯诺伊曼体系机构的基础上修改解决cpu与存储器之间的性能差异问题已存储器为核心CPU =  运算器+控制器+存储器（磁带、硬盘、内存、cpu寄存器） 

  

 

 

计算机层次与编程语言

程序翻译与程序解析

设：较为高级的计算机语言L1，较为低级的计算机语言L0。

进行语言之间的转换：程序翻译：使用高级语言L1进行程序描述，生成一个逻辑等价的由低级语言L0组成的程序，L0是计算机实际执行的语言，从L1生成L0的过程，称为程序翻译，生成的东西即为编译器。程序解析：使用高级语言L1进行逻辑描述，为执行L1需要使用L0语言实现另外一个程序，该程序将L1程序作为输入，每一个L1中的程序在L0中进行等价的逻辑转换执行，叫做程序解析，通过L0实现的另外一个程序叫做解释器

翻译型语言：C/C++、Object-c、Golang

解析型语言：Python、php、JavaScript、lua

翻译+解析语言：JAVA、C#、kotlin

计算机层次

1. 应用层

2. 高级语言层

3. 汇编层

4. 操作系统层

5. 传统机器层

6. 微程序机器层

7. 硬件逻辑层

硬件逻辑层

门、触发器等逻辑电路组成，属于电子工程领域

微程序机器层

编程语言是微指令集

微指令所组成的微程序直接交由硬件执行

传统机器层

编程语言是CPU指令集（机器指令）

编程语言和硬件直接相关

不同架构的cpu使用不同的cpu指令集

微指令＜微程序＝机器指令

• 一条机器指令对应一个微程序
• 一个微程序对应一组微指令

操作系统层

向上提供了建议的操作界面

向下对接了指令系统，硬件管理资源

操作系统是在软件和硬件之间的适配层

汇编语言层

汇编语言可以翻译成直接执行的机器语言

完成翻译的过程的程序叫做汇编器

高级语言层高级语言为广大程序员所接受的高级语言

高级语言非常多，有几百种，常见的有C/C++，JAVA，Python，Golang，Object-c

应用层：满足计算机针对某种用途而专门设计。word、excel、point等等

计算机的计算单位

容量单位

在物理层面，高低电平纪录信息理论上只认识0/1两种状态0/1能够表示的内容太少了，需要更大的容量表示，0/1称之为bit（比特位）字节：1Byte=8bits

 

 

1024=2^10

问题： 

 

网络速度

 

 

网络常用单位Mbps100m/s = 100mbps = 100mbit/s100mbit/s = (100/8)mb/s = 12.5mb/s

这里M只是数量单位，Million的意思，Mbps指的是Million bit per second，即每秒钟多少Million bit，而8bits = 1Byte

 

CPU（中央处理器）速度

CPU的速度一般体现位CPU的时钟频率

CPU的时钟频率的单位一般是赫兹

主流CPU的时钟频率都在2gHz以上

Hz其实就是秒分之一（它是每秒中的周期性变动重复次数的计量）

并不是描述计算机领域所专有的单位 

 

计算机字符与编码集

字符编码集

ASCII码：7bits

使用7个bits就可以完成表示ASCII码

包含95个可打印字符

33个不可打印字符

不足：

很多应该或者国家中的符号都无法表示

数学符号：+ - ×÷ 

 

extendedASCII码：8bits常见数学运算符

带音标的欧洲字符其他常用符、表格符等 

 

中文编码集

GB2312：7000多字符

《信息交换汉字字符集》 中国第一个编码集

收录7445个字符

6763个汉字和682个其它符号GBK：20000多字符

《汉字内码扩展规范》向下兼容GB2312，向上支持国际ISO标准21003个汉字，支持中日韩汉字

Unicode:全世界字符,使用UTF-x编码

Unicode是统一的编码标准，而UTF-8，是实现Unicode标准的一种编码方式。通用UTF-8编码；Windows系统默认使用GBK进行编码