计算机组成原理笔记1

计算机发展的四个阶段

• 1946~1957：电子管计算机

• 1957~1964：晶体管计算机

• 1967~1980：集成电路计算机

• 1980~至今：超大规模集成电路计算机

第一个阶段：电子管计算机(1946~1957)

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)

• 集成度小，空间占用大

• 功耗高，运行速度慢

• 操作复杂，更换程序需要接线

第二个阶段：晶体管计算机(1957~1964)

• 集成度想对较高，空间占用相对小
• 功耗相对较低，运行速度较快
• 操作相对简单，交互更加方便

第三个阶段：集成电路计算机(1967~1980)

• 计算机变得更小
• 功耗变得更低
• 计算速度变得更快

第四个阶段：超大规模集成电路计算机(1980~至今)

• 一个芯片集成了上百万的晶体管
• 速度更快，体积更小，价格更低，更能被大众接受
• 用途丰富：文本处理、表格处理、高交互的游戏与应用

微型计算机的发展历史

单核CPU

• 1971~1973：500KHz频率的微型计算机(字长8位)

• 1973~1978：高于1MHz频率的微型计算机(字长8位)

• 1978~1985：500MHz频率的微型计算机(字长16位)

• 1985~2000：高于1GHz频率的微型计算机(字长32位)

• 2000~现在：高于2GHz频率的微型计算机(字长64位)

多核CPU

• 2005 Intel奔腾系列双核CPU、AMD速龙系列
• 2006 Intel酷睿四核CPU
• Intel酷睿系列十六核CPU
• Intel至强系列五十六核CPU

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

• 标记他们运算速度的单位是$TFlop/s$

  $$1TFlop/s=每秒一万亿次浮点运算$$

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
• 在大型机市领域，IBM占据着很大的份额

迷你计算机(服务器)

• 也称小型机、普通服务器
• 不需要特殊的空调场所
• 具备不错的算例，可以完成较复杂的运算

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

• 又称为个人计算机，是最普通的一类计算机
• 从构成的本质来上，个人计算机与前面的分类无异

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结构。

必须具有的结构

• 必须有一个存储器
• 必须有一个控制器
• 必须有一个运算器
• 必须有输入设备
• 必须有输出设备

必须具有的功能

• 能够把需要的程序和数据送至计算机中
• 能够长期记忆程序、数据、中间结果以及最终运算结果的能力
• 能够具备算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力
• 能够按照要求将处理结果输出给用户

冯诺依曼瓶颈

CPU和存储器速率之间的问题无法调和，CPU经常空转等待数据运输。

现代计算机的结构

现代计算机在冯诺依曼体系结构基础上进行修改，解决了冯诺依曼瓶颈。

程序翻译与程序解释

较为高级的计算机语言L1、较为低级的计算机语言L0

程序翻译

使用较为高级的计算机语言L1进行程序逻辑描述， 需要生成较为低级的计算机语言L0使计算机实际执行。生成的这个过程就叫做程序翻译。从L1生成L0的程序就叫做编译器。

程序解释

使用较为高级的计算机语言L1进行程序逻辑描述，为了执行L1，需要使用L0语言实现另一个程序(解释器)，实现将L1作为输入，每个L1语句在L0里进行逻辑转换然后执行，这个过程就叫做程序解释。

总结

• 计算机执行的指令都是L0
• 翻译过程生成新的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

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交由硬件执行

传统机器层

• 编程语言是CPU指令集(机器指令)
• 编程语言和硬件是直接相关

一条机器指令对于一个微程序、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和硬件之间的适配层

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

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，有几百种
• 常见的高级语言有：Python、C/C++等

应用层

满足计算机针对某种用途而专门设计的应用

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
• 0/1能表达的内容太少，需要更大的容量表示方法
• 1 Byte=8 bits

速度单位

网络速度

• 网络常用单位为(Mbps)
• $100\text{M/s}=100\text{Mbps}=100M\text{bit/s}$
• $100\text{Mbit/s}=(100/8)\text{MB/s}=12.5\text{MB/s}$

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)
• Hz其实就是秒分之一，它是每秒钟的周期性变动重复次数的计量
• 主流CPU的时钟频率都在2GHz以上
• $2\text{GHz}=2\times1000^3 \text{Hz}=\text{每秒20亿次}$

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)

Extended ASCII码

• 将7个bits拓展到8个bits
• 常见数学运算符
• 带音标的欧洲字符
• 其他常用符、表格符

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、韩国、日本的语言最为复杂

中文编码集

• 《信息交换用汉字编码字符集——基本集》：GB2312

  • 一共收录了7445个字符
  • 包括6763个汉族和682个其他符号

• 《汉字内码扩展规范》：GBK

  • 向下兼容GB2312，向上支持国际ISO标准
  • 收录了21003个汉字，支持全部中日韩文字

• Unicode：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