第一章 计算机组成原理 ---- 概述

第一节 章节导学

• 计算机的发展简史
• 计算机的分类
• 计算机的体系结构
• 计算机的层次与编程语言
• 计算机的计算单位
• 计算机的字符与编码集

第二节 计算机的发展历史

• 计算机发展的四个阶段
• • 第一阶段(1946~1957):电子管计算机
  • • 发明背景：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)。
    • 代表：埃尼阿克(ENIAC)，战争使用了飞机和火箭，为了精确打击目标需要通过几千次的运算来计算弹道的射击参数，埃尼阿克电子管计算机由此诞生，使得美国军方的实力大大提升。
    • 由18000多个电子管组成，运行耗电量150千瓦，重量达30吨，占地1500平方英尺。
    • 电子管计算机的特点：
    • 1. 集成度小，空间占用大
      2. 功耗高，运行速度慢
      3. 操作复杂，更换程序需要换线
  • 第二阶段(1957~1964):晶体管计算机
    • 发明背景：1948年，贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管，在此后的10年，晶体管的发明使得计算机的发展取得了革命性的进展。
    • 代表：世界第一台晶体管计算机：TX-0，诞生于MIT林肯实验室。
    • 代表：当时性能最高的晶体管计算机：PDP-1，配备4k内存，每秒可以执行200,000条指令；配备了一块512×512的显示器。
    • 晶体管计算机的特点：
    • 1. 集成度相对较高，空间占用相对较小
      2. 功耗相对较低，运行速度较快
      3. 操作相对简单，交互更加方便
  • 第三阶段(1964~1980):集成电路计算机
    • 发明背景：德州仪器的工程师发明了集成电路(IC)，由于集成电路的出现，计算机具备了进入千家万户的条件。
    • 在当时，IBM有两款计算机卖的火热，一款是IBM 7094 ，一款是IBM 1401 ，但是这两款计算机主打功能不同，无法相互兼容，IBM为了解决两款计算机的兼容问题，推出了System/360 ，System/360 就是操作系统的雏形。
    • 集成电路计算机的特点：
    • 1. 计算机变的更小
      2. 功耗变的更低
      3. 计算速度变的更快
  • 第四阶段(1980至今):超大规模集成电路计算机
    • 乔布斯和他的朋友发明的Apple和Apple二代在当时深受欢迎。
    • 超大规模集成电路计算机的特点：
    • 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：文本处理、表格处理、高交互的游戏与应用
  • 第五阶段：未来的计算机
    • 生物计算机，也称仿生计算机，主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。
    • 生物计算机的特点：
    • 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（quantum computer），是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
    • 发展历程：
      • 2013年5月，谷歌和VASA发布D-Wave Two
      • 2017年5月，中国科学院宣布制造出光量子计算机
      • 2019年1月，IBM展示了世界首款商业化量子计算机
      • 腾讯在2017年组建了量子实验室，阿里巴巴在2017年成立达摩院
• 微型计算机的发展历史
  • 微型计算机的发展主要是从算力角度出发，在早期，发展受限于性能。
  • 微型计算机使用的是单核CPU：
  • 摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
  • 由於单核CPU的发展已经到达瓶颈，多核CPU出现：

第三节 计算机的分类

• 超级计算机

  • 功能最强、运算速度最快、存储容量最大的计算机。

  • 多用于国家高科技领域和尖端技术研究，比如天气预报、生物制药、海洋监测、核聚变、加密解密等。

  • 标记其运算速度的单位是是TFlop/s。

    • 1 TFlop/s = 每秒一万亿次浮点计算
    • Intel(R) Core(TM) i7-6700K CPU @ 4.OOGHz 的浮点运算能力为44.87 GFlop/s
    • 44.87 GFlop/s = 0.04487TFlop/s

  • 世界前三超级计算机排名（截至于2018年11月）

    • 名字	制造商	处理器(个数)	峰值速度
      Summit	IBM(美国)	2,397,824	200,795 TFlop/s
      神威 太湖之光	中国	10,649,600	125,436 TFlop/s
      Sierra	IBM(美国)	1,572,480	119,193 TFlop/s

  • 中国前三超级计算机排名（截止于2018年11月）

    • 名字	制造商	处理器(个数)	峰值速度
      神威 太湖之光	国家并行计算机工程 技术研究中心	10,649,600	125,436 TFlop/s
      天河二号	国防科大	3,120,000	33,862 TFlop/s
      天河一号	国防科大	202,752	2,566 TFlop/s

• 大型计算机

  • 又称大型机、大型主机、主机等。
  • 具有高性能，可处理大量数据与复杂的运算，比如银行金融交易的数据、人口普查等。
  • 在大型计算机领域，IBM占据着很大的份额。
  • IBM Z9
    • NASA最后一台大型机
    • 操作系统：Red Hat Enterprise Linux
    • 大型机造价高昂
  • 去“IOE”行动
    • I(IBM)：服务器提供商
    • O(Oracle)：数据库软件提供商
    • E(EMC)：存储设备提供商
    • 去“IOE”是阿里巴巴在2008年提出的概念，阿里云于2009年成立，去“IOE”行动直接或间接促进了阿里云的诞生。“IOE”代表了高维护费用的存储系统，随着阿里用户群的快速增长，每年需要付出的成本以及硬件费用也越来越高。
    • 大型机所提供的服务不够灵活，伸缩性弱，阿里巴巴为了减少成本，增强服务器的灵活性，将海量数据从集中式的Oracle切换到分布式的MySQL集群，从纵向扩展到水平扩展，解决了数据库拓展性问题，并用普通的服务器代替大型机。

• 迷你计算机（服务器）

  • 也成为小型机，普通服务器
  • 不需要特殊的空调场所
  • 具备不错的算力，可以完成较复杂的运算
  • 普通服务器制造商：Lenovo(联想)、HUAWEI(华为)、inspur(浪潮)
  • 去“IOE”是用普通服务器代替大型机，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强大的性能。
  • 类似于普通台式电脑，体积较大，但性能强劲。

• 微型计算机

  • 又称个人计算机，是最普通的一类计算机。
  • 从构成的本质上来讲，个人计算机与前面的计算机无异。

第四节 计算机的体系与结构

• 冯·诺依曼体系
  • 将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念。
  • 必须有一个存储器、一个控制器、一个运算器、输入设备、输出设备，现代计算机的本质都是冯·诺依曼计算机。
  • 冯·诺依曼体系结构：
    • 冯·诺依曼瓶颈：CPU和存储器速率之间的问题无法调和。
  • 能够通过输入设备将需要的程序和数据送至计算机中，能够通过存储器长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力，能够通过控制器、运算器完成算术运算、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力，能够按照要求通过输出设备将处理结果输出给用户。
• 现代计算机的结构
  • 在冯·诺依曼体系结构基础上进行修改，可以理解为以存储器为核心的结构。
  • 解决CPU与存储设备之间的性能差异问题。
  • 存储器从广义上可以理解为存储数据的介质。

第五节 计算机的层次与编程语言

• 程序编译与程序解释
  • 为什么需要程序编译与程序解释？
  • 程序编译
  • 程序解释
  • 程序编译和程序解释的区别和联系
    • 计算机执行的指令都是L0
    • 编译过程生成新的L0程序，解释过程不生成新的L0程序
    • 解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序
  • 编译型语言：C/C++、Object-C、Golang、 Pascal、 FORTRAN
  • 解释型语言：Python、Php、JavaScript、 BASIC
  • 严格来讲，Java和C#既不属于编译型语言，也不属于解释型语言，二者属于编译+解释型的语言。
    • 以Java理解什么是编译+解释型的语言：
• 计算机的层次与编程语言
  • 硬件逻辑层
    • 门、触发器等逻辑电路组成，属于电子工程的领域。
  • 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、机器指令的关系：
      • 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
    • 向上提供了简易的操作界面。
    • 向下对接了指令系统，管理硬件资源。
    • 操作系统层是在软件层和硬件之间的适配层。
  • 汇编语言层
    • 所用到的编程语言是汇编语言。
    • 汇编语言可以翻译程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。
  • 高级语言层
    • 编程语言为广大程序员所接受的高级语言。
    • 高级语言的类别非常多，有上百种。
    • 常见的高级语言有：Python、Java、C/C++、Golang等。
  • 应用层
    • 满足计算机针对某种用途而专门设计，如Microsoft Office。
    • 可以理解为面向问题的应用语言。

第六节 计算机的计算单位

• 容量单位

  • 在物理层面，高低电平记录信息。

  • 理论上只认识0 / 1两种状态，0表示低电平，1表示高电平。

  • 0 / 1称为bit（比特位），但是0 / 1能够表示的内容太少了，需要更大的容量表示方法。

  • 字节：1Byte = 8 bits

  • 常见容量单位：1024 = 2 ^ 10

    • 	bit	Byte	KB	MB	GB	TB	PB	EB
      名字	比特位	字节	千字节	兆字节	吉字节	太字节	拍字节	艾字节
      比例	-	8bits	1024B	1024KB	1024MB	1024GB	1024TB	1024PB
      常见设备	门电路	-	寄存器	高速缓存	内存/硬盘	硬盘	云硬盘	数据仓库

    • 思考1：1G内存可以存储多少字节的数据？可以存储多少比特数据？

    • 答：1G = 1024 ^ 3 Bytes = 1024 ^ 3 * 8bits

    • 思考2：为什么500G的移动硬盘格式化之后就只剩465G了？

    • 答：硬盘商一般用10进位标记容量。 (500 * 1000 ^ 3) / 1024 ≈ 465

• 速度单位

  • 网络速度
    • 网络常用单位为：Mbps
    • 100M宽带：100M = 100 M/S = 100 Mbps = 100 Mbit/s
    • 思考：为什么100MB光纤测试峰值速度只有12MB每秒？
    • 答：100 Mbit/s = (100/8) MB/s = 12.5MB/s
  • CPU频率
    • CPU速度一般体现为CPU的时钟频率
    • CPU时钟频率的单位一般是赫兹（Hz）
    • 当前主流CPU的时钟频率都在2GHz以上
    • Hz:秒分之一，是每秒钟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。
    • 高低电平的变换频率：
      • 2 GHz = 2 * 1000 ^ 3 Hz = 每秒20亿次

第七节 计算机的字符与编码集

• 字符编码集的历史
  • ASCII码
    • 使用7个bit就可以完全表示ASCII码95 + 33 = 128 = 2 ^ 7
    • 包含95个可打印字符，33个不可打印字符（包括控制字符）
  • Extend ASCII码
    • 由于很多应用或者国家中的符号无法用ASCII码，故第一次对ASCII码进行扩充，7bits -> 8bits, 128 -> 256。
    • 包括常见数学运算符、带音标的欧洲字符、其他常用符、表格符等。
  • 字符编码集的国际化
    • 欧洲、中亚、东亚、拉丁美洲国家的语言多样性
    • 语言体系不一样，不以有限字符组合的语言
    • 中国、日本、韩国等的语言最为复杂
• 中文编码集
  • 1980年， GB2312，全称《信息交换用汉字编码字符集–基本集》，共收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其它符号。
  • 1995年， GBK，全称《汉字内码扩展规范》，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，又称统一码、万国码、单一码，Unicode定义了世界通用的符号集，UTF-*实现了编码，UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码。
  • windows中文系统默认使用GBK编码，编程推荐使用UTF-8编码。