計算機組成原理(一)

由於博主並不是科班出生,計算機方面的只是有所欠缺,所以寫幾篇博客記錄下我所學的知識,希望能對各位像我一樣非科班的同學有所幫助.如有錯誤的地方,望指正,謝謝給位大佬了!!!

計算機的發展歷史

• 1946 - 1957: 電子管計算機(埃尼阿克,第二次世界大戰是電子管計算機的催化劑)
  • 集成度小,佔用空間大
  • 功耗高,速度慢
  • 操作複雜,換程序需要接線
• 1957 - 1964: 晶體管計算機
  • 集成度高,佔用空間小
  • 功耗低,速度快
  • 操作簡單,交互方便
• 1964 - 1980: 集成電路計算機(IBM)
  • 計算機更小
  • 功耗更低,速度更快
• 1980 - 現在: 超大規模集成電路計算機
  • 一個芯片可集成上百萬的晶體管
  • 速度更快
  • 用途更廣
• 未來:
  • 生物計算機
  • 量子計算機(阿里達摩院,騰訊)

微型計算機的發展

受限於性能,單核CPU.現在都高於2GHz CPU.

計算機的分類

超級計算機

• 功能強,速度快
• 用於國際研究領域
• 單位爲TFlop/s(1TFlop/s爲每秒1萬億次浮點運算)

超級計算機世界排名:

大型計算機

• 大型主機
• 高性能
• IBM佔主要份額
  

迷你計算機

• 小型機
• 不需要特殊空調場所
• 運算快

工作站

• 高端的微型計算機
• 體積比普通計算機大,性能強勁

微型計算機

• 普通的家用計算機
• 麻雀縮小,五臟俱全

計算機的體系和結構

• 馮諾依曼體系
  將程序指令儲存的計算機概念結構.
  
• 必須有一個存儲器
• 必須有一個控制器
• 必須有一個運算器
• 必須有輸入輸出設備
  現在所有的計算機都屬於馮諾依曼機.
  馮諾依曼瓶頸(CPU經常空轉等待數據傳輸):
  
• 現代計算機結構
  以存儲器文核心的結構
  

計算機的層次和編程語言

• 程序翻譯和程序解釋
  將人類語言解析成計算機理解的語言,進行語言之間的轉換.
  • 程序翻譯
    
  • 程序解析

1. 計算機執行的指令都是L0
2. 翻譯過程生成新的L0,解釋過程不生成新的L0
3. 解釋過程由L0編寫的解釋器解釋L1程序

翻譯+解釋的語言: java / c#

注: 比如java語言,就是先使java程序編譯成JVM字節碼,在解釋成機器能夠識別的機器碼.

• 計算機的層次
  
  硬件邏輯層: 電子工程領域的邏輯電路組成.
  微程序機器層: 微指令組成的微程序交由硬件執行(由生產硬件公司的程序員編寫).
  傳統機器層: CPU指令集(機器指令),與硬件相關.不同架構的CPU有不同的指令集.
  • 微指令與微程序的關係
    

操作系統層: 硬件和軟件之間的適配層,向上提供操作界面,向下對接指令系統.
彙編語言層: 彙編語言可以由彙編器翻譯成可執行的機器語言.
高級語言層: 程序員所接受的高級語言,如java\c++\python等.
應用層: 針對某種用途而專門設計.

計算機的計算單位

• 容量單位
  比如4G內存,1T硬盤都屬於容量單位.
  在物理層面高低電平記錄信息,理論上只有0/1兩種狀態,但是0/1容量太少了(0/1稱爲bit比特位),需要更大的容量表示.後來出現字節byte(1Byte = 8bit).
  

• 速度單位(網絡速度)
  爲什麼拉100m的光纖,峯值速度是有12M每秒.(網絡常用單位是100Mbps)
  答:
  100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s
  100Mbit/s = (100/8)MB/s = 12.5MB/s

  • cpu速度(CPU時鐘頻率,單位爲赫茲[Hz],現在主流的CPU時鐘頻率都大於2GHz).指的是高低電平每秒鐘變化的次數.
    2GHz = 2 * 1000^3 Hz = 每秒20億次.

計算機的字符和編碼集

• 字符編碼機歷史
  1. ASCll碼
  使用7個bits就可以完全表示ASCll碼(包含95個可打印字符,33個不可打印的字符)
  95 + 33 = 128 = 2^7
  
  2. Extended ASCll碼
  由於很多字符(如π,≈等)無法表示,將7個bits => 8個比特位,擴充到256個字符.加入了常用的數學運算符,帶音標的歐洲字符,其他常用符,表格符等
  
  3. 字符編碼集的國際化
  由於歐洲,東亞,中亞等語言不同,體系不同,中日韓語言體系最爲複雜.
  (1)中文編碼集
  a. GB2312
  <信息交換引漢字編碼集-基本集>
  收錄7745字符(包含6763漢字和682個其他符號)
  b. GBK
  <漢字內碼擴展規範>
  收錄21003漢字,支持全部中日韓文字.
  向下兼容GB2312,向上支持國際ISO標準
  c. unicode
  統一碼,萬國碼,單一碼
  Unicode定義了世界通用的符號集,UTF-*實現編碼
  UTF-8以字節爲單位對Unicode進行編碼
  注:windows系統默認使用GBK編碼,編程推薦使用UTF-8編碼