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界三大定律)

计算机分类

计算机的体系和结构

计算机的层次与编程语言

计算机的速度单位

计算机的字符与编码集

计算机发展简史

计算机发展的四个阶段

• 第一个阶段：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，英国为了解密德国海军的密文，美国为了计算炮弹轨道
• 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
• 贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管
• 全世界第一台晶体管计算机是TX-0，来自MIT（麻省理工）林肯实验室；
• 世界上第一个商用小型计算机是PDP-1；史蒂芬.罗素在PDP-1上开发出史上第一个电脑游戏-空间战争
• 特点:1.集成度相对较高，空间占用相对小；2.功耗相对较低，运行速度较快；3.操作相对简单，交互更加方便（可一人操作，能配备显示器）
• 第三个阶段：集成电路计算机
• 集成电路发明者为德州仪器工程师杰克·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)。它在电路中用字母IC表示
• 这个装置揭开二十世纪信息革命的序幕，同时宣告信息化时代来临
• System/360是IBM推出的划时代的大型电脑，这一系列是世界上首个指令集可兼容计算机。
• 第四个阶段：超大规模集成电路计算机
• 特点：1.一个芯片集成了上百万的晶体管2.速度更快，体积更小，价格更低，更能被大众接受3.用途丰富
• 第五个阶段：未来计算机
• 生物计算机
• 特点：1.体积小，效率高；
• 2.不易损坏，生物级别的自动修复
• 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
• 微型计算机一般由第三阶段开始

• 网络三定律(IT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：集成电路的性能，每18-24个月就会提示一倍(已经慢慢失效)由英特尔创始人之一戈登.摩尔提出
• 吉尔德定律：又称胜利者浪费定律，由乔治·吉尔德提出，最为成功的商业运作模式是价格最低的资源将会被尽可能的消耗，以此来保存最昂贵的资源
• 核心：在未来25年，主干网的带宽每6个月增长一倍，12个月增长两倍，并预言将来上网会免费
• 麦特卡夫定律：由以太网发明人鲍勃.麦特卡夫提出，核心为：网络价值同网络用户数量的平方成正比

• 计算机分类

• 超级计算机
• 标记它们运算速度的单位是TFlop/s
• 1TFlop/s=每秒一万亿次浮点计算
• 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占据着很大的份额
• 在大型计算机中进行编程的语言:COBOL
• IBM Z9:使用Linux红帽系统,是NASA最后一台大型机
• 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IOE由阿里巴巴在2008年提出，原因:1.高维护费2.不够灵活；促使了2009年阿里云的诞生
• 迷你计算机（服务器）也称小型机
• 去IOE行动就是把大型机替换成普通服务器
• 普通服务器已经代替了传统的大型机，成为大规模企业计算的中枢
• 工作站
• 高端的通用微型计算机，提供比个人计算机更好性能；外观类似于台式机
• 微型计算机
• 又称个人计算机，是世界上最普通的一类计算机，分为台式机，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