计算机组成原理-概述篇

目录

计算机发展简史

网络三定律(IT边界三大定律)

计算机分类

计算机的系统和结构

计算机的层次和编程语言

计算机速度单位

计算机的字符与编码集

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计算机发展简史

计算机发展的四个阶段

• 第一阶段：电子管计算机
• 第二次世界大战是电子管计算机产生的催化剂。为了解密德国海军的密文，美国计算炮弹轨道
• 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（需要几人一起操作，无显示器）
• 第二个阶段：晶体管计算机
• 贝尔实验室的三位科学家发明了晶体管
• 世界上第一台晶体管计算机TX-0，来自MIT林肯实验室(麻省理工)
• 世界上第一台商用小型计算机PDP-1；史蒂芬.罗素在PDP-历史上第一款电脑游戏——空间战争
• 特点：1。集成度相对较高，空间占用相对较小；2.功耗相对较低，运行速度快；3.操作相对简单，交互更方便(一人操作，可配备显示器)
• 第三阶段：集成电路计算机
• 德州仪器工程师杰克是集成电路的发明者·基尔比(基于锗的集成电路)(1958年发明)和罗伯特·诺伊斯(基于硅的集成电路)(1959年发明)。它在电路中使用字母IC表示
• 该装置揭开了20世纪信息革命的序幕，并宣布信息时代的到来
• System/360是IBM该系列是世界上第一个与计算机兼容的指令集。
• 第四个阶段：超大规模集成电路计算机
• 特点:1。一个芯片集成了数百万晶体管。2.速度更快，体积更小，价格更低，更容易被公众接受。3.用途丰富
• 第五阶段：未来计算机
• 生物计算机
• 特点：1.体积小，效率高；
• 2.生物级自动修复不易损坏
• 3.不受信号干扰，无热损耗
• 量子计算机
• 微型计算机发展历史
• 微型计算机一般从第三阶段开始

• 网络三定律(IT边界三大定律)

• 1.摩尔定律2.吉尔德定律3.麦特卡夫定律
• 摩尔定律：英特尔创始人戈登每18-24个月提示一次集成电路的性能.摩尔提出
• 吉尔德定律：乔治也被称为赢家浪费定律·吉尔德提出，最成功的商业运营模式是，最低价格的资源将尽可能被消耗，以保存最昂贵的资源
• 核心:未来25年，主干网带宽每6个月翻一番，12个月翻一番，预计未来免费上网。
• 麦特卡夫定律：鲍勃，以太网发明人.麦特卡夫提出，核心是网络价值与网络用户数量的平方成正比

• 计算机分类

• 超级计算机
• 标记其运行速度的单位是TFlop/s
• 1TFlop/s=每秒计算一万亿浮点
• 大型计算机
• 又称大型机，大型主机
• 在大型计算机市场领域，IBM占有很大份额
• 编程语言：COBOL
• IBM Z9:使用Linux红帽系统，是的NASA最后一台大型机器
• 去IOE行动:I为IBM，提供服务器；O为Oracle，提供数据库和软件；E为EMC，提供存储设备
• 去IOE2008年阿里巴巴提出的原因:1。高维护费2.不够灵活；阿里云诞生于2009年
• 迷你计算机(服务器)也被称为小型机器
• 去IOE行动是用普通服务器取代大型机器
• 普通服务器已经取代了传统的大型机器，成为大型企业计算的中心
• 工作站
• 高端通用微型计算机提供比个人计算机更好的性能；外观与台式计算机相似
• 微型计算机
• 又称个人电脑，是世界上最常见的电脑，分为台式电脑、笔记本电脑、一体机

• 计算机的体系和结构

• 冯诺依曼体系
• 定义:将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构
• 早期计算机仅含固定用途程序，改变程序得更改结构,重新设计电路----->这样就非常麻烦
• 所以冯诺依曼就产生一个方法，即把程序存储起来，并设计通用电路，也就是存储程序指令，设计通用电路。这就是冯诺依曼体系的核心
• 由冯诺依曼体系指导的计算机有5个主件：
• 必须有一个存储器，一个控制器，一个运算器，有输出设备和输入设备
• 现代计算机都是冯诺依曼机
• 冯诺依曼机
• 1.能够把需要的程序和数据送至计算机(通过输入输出设备实现)
• 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(通过存储器实现)
• 3.能够具备算术，逻辑运算和数据传送等数据加工处理能力(通过运算器和控制器实现)
• 4.能够按照要求将处理结果输出给用户
• 
• 将CPU和存储器分开，会造成冯诺依曼瓶颈

• 计算机的层次与编程语言

• 假设计算机高级语言是L1，计算机执行的指令是L0. 程序编译过程生成新的L0程序，解释过程不生成新的L0程序
• 程序编译是L1通过编译器生成L0，再让计算机加以执行；解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序
• 程序编译类语言如C/C++,Object-C,Golang;程序解释类语言如Python,Php,js;
• 既能编译又能解释的语言有Java,C#
• 如果用程序来划分计算机系统的话,我们大致可以把它划分为7个程序分别为：
• 硬件逻辑层,微程序机器层,传统机器层,这3个属于实际机器类;
• 操作系统层,汇编语言层,高级语言层,应用层,这4个属于虚拟机器类,其中应用层又属于应用软件,其余3个属于系统软件
• 硬件逻辑层主要由门,触发器等逻辑电路组成,属于电子工程领域
• 在微程序机器层,编程语言是微指令集,由微指令所组成的微程序直接交由硬件执行
• 在传统机器层,编程语言是CPU指令集(机器指令),编程语言和硬件是直接相关的，不同架构的CPU使用不同的CPU指令集
• 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
• 在操作系统层，操作系统一方面向上提供了简易的操作界面，同时向下对接指令系统，管理硬件资源，操作系统层是在软件和硬件之间的适配层
• 在汇编语言层，编程语言是汇编语言，汇编语言可以翻译成可直接执行的机器语言，完成翻译的过程的程序就是汇编器

• 计算机的速度单位

• 容量单位
• 在物理层面，用高低电平记录信息(高表1,低表0)
• 理论上只认识0/1两种状态(0/1称为bit(比特位))
• 字节：
• 1Byte=8bits(其余都是1024的进制)
• 为啥网上购买的移动硬盘500G，格式化之后就只剩465G了？
• 这是由于硬盘商一般用10进位标记容量，用1000进位而不是1024进位
• 速度单位
• 网络速度
• 为什么电信拉的100M光纤，测试峰值速度只有12M每秒？
• 由于网络常用单位为Mbps
• 100M/s=100Mbps=100Mbit/s
• 100Mbit/s=(100/8)MB/s=12.5MB/s
• CPU速度
• CPU的速度一般体现为CPU的时钟频率
• CPU的时钟频率的单位一般是赫兹(Hz)
• 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
• 2GHz=2*1000^3Hz=每秒20亿次

• 计算机的字符与编码集

• 字符编码集的历史
• ASCII码
• 使用7个bits就可以完全表示ASCII码
• 包含95个可打印字符
• 33个不可打印字符(包括控制字符)
• 33+95=128=2的7次方
• 扩展ASCII码
• 开始ASCII码很多应用或者国家中的符合都无法表示(其中包括数学符合÷ π等等)
• 第一次对ASCII码进行扩充，由7bits变为8bits(256个字符)
• 字符编码集的国际化
• 各国国家语言体系不一样，有不以有限字符组合的语言(例:中文)
• 中文编码集GB2312
• 一共收录了7445个字符(其中包括6763个汉字和682个其它符号)
• 中文编码集GBK
• 向下兼容GB2312,向上支持国际ISO标准
• 收录了21003个汉字，支持全部中日韩汉字
• 兼容全球的字符集Unicode
• 也称统一码，万国码，单一码
• Unicode定义了世界通用的符合集，使用UTF-*实现了编码
• UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码
• Windows系统默认使用GBK编码
• 编程推荐使用UTF-8编码