计算机组成原理之概述篇

环境说明：

Linux环境： VMWare WorkStation + Linux虚拟机

编程语言：C++，Python

  • 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

  • 计算机的计算单位

  • 计算机的字符与编码集

  • 计算机发展的四个阶段

  • 微型计算机的发展历史

计算机发展简史

计算机发展的四个阶段

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第一个阶段：电子管计算机

第二次世界大战时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

ENIAC 埃尼阿克 战争使用了飞机和火箭，打得准则需要计算射击参数 设计参数需要几千次运算才能计算出来，没有计算机前，需要人手算。缺点：集成度小，空间占用大等。

第二阶段：晶体管计算机

贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管

在很多的电路中我们还是可以看到晶体管

著名的晶体管计算机：TX-0 PDP-1

集成度相对较高

第三阶段：集成电路计算机

德州仪器的工程师发明了集成电路（IC） 计算机具备进入千家万户的条件

IBM =》 7904 ，1401 这两款计算机主打功能不同，相互无法兼容，不愿意投入两组人力。

IBM推出兼容的产品System/360 => 操作系统的雏形

第四个阶段：超大规模集成电路计算机

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、用途丰富

乔布斯 Apple 和 Apple二代

第五个阶段：未来的计算机（畅想）

生物计算机

量子计算机

“集成度”指的是在单位面积或体积内集成的晶体管数量。 集成度越高，代表着芯片尺寸可以更小，或者在相同尺寸的芯片上可以容纳更多的元件，从而实现更多的功能和更高的性能。

在计算机发展史中：

  • 电子管计算机：使用电子管作为主要的逻辑元件。电子管体积大、功耗高、产生的热量多，因此一台计算机需要成千上万个电子管，占据巨大的空间。 这导致了电子管计算机的集成度非常小。
  • 晶体管计算机：晶体管取代了电子管。晶体管体积小、功耗低、速度更快。 这使得在相同的空间内可以容纳更多的逻辑元件，因此晶体管计算机的集成度相对于电子管计算机有了显著提高。

简单来说，集成度的提高是计算机体积越来越小、性能越来越强、功耗越来越低的关键因素之一。 电子管到晶体管的转变是计算机集成度提升的一个重要里程碑。 后来集成电路（IC）以及超大规模集成电路（VLSI）的出现，更是将集成度推向了新的高度，使得数百万甚至数十亿个晶体管可以集成在一个小小的芯片上。

个人(微型)计算机的发展历史

从第三个阶段开始的

受限于性能 单核CPU

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）

200-现在 高于2GHz频率的微型计算机（字长64位）

可能有朋友不太明白上面的Hz以及字长

这里简单说一下：

Hz (赫兹)

Hz 是频率的单位，全称是赫兹 (Hertz)。它表示的是每秒钟周期性事件发生的次数。

在 CPU（中央处理器）的语境下，Hz 用来衡量时钟频率 (Clock Speed 或 Clock Rate)。CPU 内部有一个时钟发生器，它会产生规律性的电脉冲信号，就像一个节拍器一样，指挥 CPU 的各个部件协同工作。

  • 1 Hz 就代表 CPU 的时钟每秒钟跳动 1 次。
  • KHz (千赫兹)：1 KHz = 1000 Hz，代表 CPU 时钟每秒钟跳动 1000 次。
  • MHz (兆赫兹)：1 MHz = 1,000,000 Hz (一百万赫兹)，代表 CPU 时钟每秒钟跳动一百万次。
  • GHz (吉赫兹)：1 GHz = 1,000,000,000 Hz (十亿赫兹)，代表 CPU 时钟每秒钟跳动十亿次。

简单来说，CPU 的时钟频率越高 (Hz 值越大)，意味着 CPU 在单位时间内能够执行更多的基本操作，通常也就意味着 CPU 的运算速度越快，性能越强。 你给出的数据中，从 500KHz 到高于 2GHz，就反映了 CPU 运行速度的巨大提升。

字长 (Word Length / Word Size)

字长指的是 CPU 一次能够处理的二进制数据的位数 (bits)。你可以把它想象成 CPU 用来思考和处理信息的基本单位的“宽度”。

  • 位 (bit)：计算机中数据的最小单位，只能是 0 或 1。
  • 字节 (Byte)：通常 1 字节 = 8 位。

字长决定了以下几个方面：

  1. CPU 内部寄存器的大小：寄存器是 CPU 内部用来临时存储数据的高速存储单元。字长是多少位，通常寄存器就能存储多少位的数据。
  2. CPU 一次能处理的数据量：例如，一个 8 位字长的 CPU，一次可以处理 8 位的数据；一个 64 位字长的 CPU，一次可以处理 64 位的数据。显然，字长越大，CPU 一次能处理的数据就越多，效率也就越高。
  3. 内存寻址能力：CPU 需要通过地址来访问内存中的数据。字长的大小会影响 CPU 能够直接访问的内存空间大小。例如，一个 32 位字长的 CPU，理论上最大可以寻址 232 字节 (约 4GB) 的内存空间。而 64 位字长的 CPU，其寻址能力则大大增加。

你给出的数据中：

  • 8 位字长：CPU 一次能处理 8 位二进制数。
  • 16 位字长：CPU 一次能处理 16 位二进制数。
  • 32 位字长：CPU 一次能处理 32 位二进制数。
  • 64 位字长：CPU 一次能处理 64 位二进制数。

总结一下：

  • Hz (频率) 关系到 CPU 的运算速度快慢。
  • 字长 关系到 CPU 一次能处理多少数据以及能管理多大的内存空间。

这两个参数都是衡量 CPU 性能的重要指标。随着技术的发展，CPU 的频率越来越高，字长也越来越大，从而带来了计算机性能的飞速提升。

摩尔定律

集成电路的性能，每18-24个月就会提升一倍

但是在21世纪这个定律慢慢失效了，因为随着芯片的发展，电路越来越复杂，热损耗也越来越高，无法解决这样的问题所以慢慢也就失效了。

进而发展了多核CPU

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 至强系列五十核CPU

主要是从CPU的角度来看待

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

标记它们的运算速度的单位是TFlop/s

1TFlop/s=每秒一万亿次浮点计算

Intel® Core™ i7-6700k CPU @ 4.00GHz:44.87GFlop/s

大型计算机

又称之为大型机，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

在大型机市场领域，IBM占据很大的份额

COBOL编程语言

IBM Z9这台打星际是NASA最后一台打星际 Red Hat Enterprise Linux 大型机造价高昂

去“IOE”是阿里巴巴提出的概念

代表了高维护费用的存储系统

不够灵活，伸缩性若

“去IOE”行动：I（IBM），O（Oracle）E(EMC)

阿里2008年提出去“IOE运动”，于是在2009年成立了阿里云

迷你计算机（服务器）

也称之为小型机，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

普通服务器以及替代了传统的大型机，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

又称之为个人计算机，最为普通的一类计算机

麻雀虽小，五脏俱全

从构成的本质上来讲，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

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=》[坑爹啊，不能先打会游戏然后再写代码]=》把程序存储起来并设计通用电路 => 存储程序指令设计通用电路

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

现代计算机都是冯诺依曼机

能够把需要的程序和数据送至计算机

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

能够按照要求把处理结果输出给用户

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冯诺依曼瓶颈

CPU和存储器速率之间的问题无法调和

因为CPU速度极快，但是存储器速度很慢,这样会导致CPU经常空转等待数据传输。那么如何解决？

没有什么是加一层解决不了的，有的话就再加一层。

现代计算机的结构

现代计算机在冯诺依曼机体系结构基础上进行修改

解决CPU与存储设备之间的性能差异问题

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存储器 之前是磁带硬盘现在增加了更告诉的设备：内存，CPU的寄存器作为缓存，这样速度更快了

可以理解为以及存储器为核心

计算机的层次与编程语言

程序翻译与程序解释

人类语言：我是一名学生

计算机：01011100101…

需要进行语言之间的转换

较为高级的计算机语言L1

较为低级的计算机语言L0

那什么是程序翻译？

程序翻译就是L1进行程序逻辑描述，通过编译器生成较为低级的计算机语言L0（计算机实际执行的语言）

那什么是程序解释？

L1进行程序逻辑描述然后L1作为输入通过解释器来使用L0语言实现另外一个程序（较为低级的计算机语言L0）

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

常见的程序翻译型语言：C/C++,Object-C,Golang

常见的程序解释型语言：Python,Php,JavaScript

翻译+解释型语言：Java C# Java程序编译为JVM字节码然后再通过解释器来解释为机器码

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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

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

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

操作系统层是软件和硬件之间的适配层

汇编语言层：

汇编语言是汇编语言

汇编语言可以翻译为可直接执行的机器语言

完成翻译的过程就是汇编器

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,Java，C/C++，Golang

应用层：

满足计算机针对某种用途而专门设计：word,Excel,Powerpoint

分层的目的是便于理解

计算机的计算单位

容量单位

速度单位

容量单位 768M光盘 4G内存 2T硬盘

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能够表示的内容太少了，需要更大的容量表示方法 0/1称为bit(比特位)

属性 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 - 8 bits 1024 B 1024 KB 1024 MB 1024 GB 1024 TB 1024 PB
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

字节：1Byte = 8bit

1G内存，可以存储多少字节的数据？可以存储多少比特数据？

1G = 1024^3 Bytes = 1024^3*8bits

为什么网上买的移动硬盘500G，格式化之后就只剩下465G了？

硬盘上一般用10进位标记容量

(500*1000^3)/ 1024^3 约等于 465

宽带中 2M宽带，4M宽带，100M宽带是什么意思?这里是容量吗？不是 是速度

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？

网络常用单位是Mbps

100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s

100Mbit/s = (100/8)MB/s = 12.5 MB/S

CPU速度

CPU的速度一般体现再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

并不是描述计算机领域所专有的单位

它是每秒钟的周期性变动重复次数的计量

2GHz = 2*1000^3 Hz = 每秒20亿次

计算机的字符与编码集

字符编码集的历史

中文编码集

这个部分可以去搜一下：这里简明扼要的说一下:

兼容全球阿字符集是Unicode

Unicode定义了世界通用的符号集，UTF-*实现了编码

UTF-8是以字节为单位对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