1、计算机体系结构

计算机组成

计算机发展史

图灵 (Turing)

• 图灵机理论：计算的本质可以看作是一种机械运算，但其执行依赖于信息（指令）的控制。

香农 (Shannon)

• 《继电器与开关电路的符号分析》：将电路开关与布尔代数相结合，为现代数字电路奠定了基础。

冯·诺依曼 (von Neumann)

• 冯·诺依曼体系结构：现代计算机的基本组成包括控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。
  

代次	技术	时间	特点
第一代	电子管计算机	1946年	并行计算 功能优先 速度很慢
第二代	晶体管计算机	1956年	体积小 速度快 功耗低
第三代	集成电路计算机	1964年	体积更小 速度更快 功耗更低 性能稳定
第四代	超大规模集成电路计算机	1972年	体积更小 速度更快 功能丰富 价格更低 可靠性强

计算机硬件组成

台式机硬件 - 内部

CPU

• 中央处理器（Central Processing Unit，CPU）
  • 常见的电脑处理器：Intel奔腾8086、酷睿系列；AMD锐龙系列。
  • 常见的手机处理器：高通骁龙系列、苹果A系列、海思麒麟系列、联发科天玑系列。

CPU本质

• 控制单元（Control Unit）：负责协调数据处理过程中各个部分的工作。
• 算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）：执行各项指令以完成程序要求的运算。
• 存储单元：负责存储原始数据及运算结果。

CPU与芯片的关系

• 芯片种类丰富，CPU芯片是其中之一。
• 其他类型的芯片包括：

  • GPU（图形处理单元）
    

  • NPU（神经网络处理单元）

  • FPGA（现场可编程门阵列）

CPU重要参数

• 核心数：物理核心的数量。
• 线程：通过超线程技术实现的逻辑处理器。
• 频率：工作频率，即每秒产生的脉冲信号数量。
• 32位与64位：指CPU能处理的数据位数。
  

CPU指令集与架构

• 指令用于控制硬件，经过编译后以二进制电信号形式呈现（如01010101）。
• 复杂指令集计算机（CISC）：每条指令执行复杂操作，所需指令数量较少，代表：Intel x86。
• 精简指令集计算机（RISC）：每条指令执行简单操作，所需指令数量较多，代表：ARM、RISC-V、MIPS。

内存（主存）RAM

• 数据从外存读取到内存，再由内存提供给CPU进行计算，因为外存读取速度相对较慢。
  

硬盘（外存）

• 机械硬盘（HDD）：采用磁盘存储数据。
  

• 固态硬盘（SSD）：基于闪存颗粒，具有更快的读写速度，但成本较高。
  

硬盘与内存的区别

1. 读写速度：硬盘的读写速度较慢，而内存读写速度快。
2. 作用：硬盘用于长期存储数据，内存用于临时存储正在运行的程序和数据。
3. 持久存储：硬盘提供持久存储，断电后数据不会丢失；内存不具备持久性，断电后数据会丢失。

输入输出设备

输入设备

• 键盘：用于输入文字和命令。
• 鼠标：用于选择和操作图形界面元素。
• 麦克风：用于捕捉声音输入。
• 摄像头：用于捕捉图像和视频输入。
• 扫描仪：用于将纸质文档转换为数字格式。
• 数位板：用于数字绘图和手写输入。
• 游戏手柄：用于控制电子游戏。

输出设备

• 显示器：用于显示图像和文本。
• 打印机：用于打印文档和图像。
• 音响：用于输出声音。
• 显卡（GPU）：负责处理图像并输出到显示器，具有高吞吐量的计算能力，适用于图形渲染和复杂的计算任务。
• 声卡：处理和输出声音信号至音响设备，支持音频播放。

程序

汇编语言

• 机器语言：以二进制代码表示的语言（如01000000101）。
• 汇编语言：使用英文字母或符号串替代机器指令（如LOAD A, ADD B, STORE C）。
• 高级编程语言：接近自然语言，通常不直接操作硬件，具备更好的可移植性（如C = A + B;）。
  

操作系统

为什么需要操作系统（Operating System）？

1. 提供API，屏蔽硬件差异。
2. 协调系统资源。