【计算机组成原理】概述篇

背景篇

计算机发展简史

计算机发展的四个阶段

• 第一阶段（1946-1957）： 电子管计算机
• 第二阶段（1957-1964）： 晶体管计算机
• 第三阶段（1964-1980）： 集成电路计算机
• 第四阶段（1980-现在）： 超大规模集成 电路计算机

第一阶段：电子管计算机

• 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）。

战争使用了飞机和火箭，打得准则需要计算射击参数，射击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。

埃尼阿克(ENIAC)：

• 18000多个电子管
• 运行耗电量150千瓦
• 重量达30吨，占地1500平方英尺

第二个阶段：晶体管计算机

• 集成度相对较高，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

贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管

TX-0：来自MIT林肯实验室

PDP-1

• 4k内存，每秒200,000指令
• 配备512x512的显示器

第三个阶段：集成电路计算机

• 计算机变得更小
• 功耗变得更低
• 功耗变得更低

计算机具备进入千家万户的条件

德州仪器的工程师发明了集成电路(IC)

IBM：

• 7094
• 1401

主打功能不同 ，相互无法兼容，不愿意投入两组人力，因此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
• 一个芯片集成了上百万的晶体管
• 用途丰富：文本处理、表格处理、高交互的游戏与应用

第五个阶段：未来的计算机

• 生物计算机：以蛋白质分子作为主要原材料

  • 体积小，效率高
  • 不易损坏，生物级别的自动修复
  • 不易损坏，生物级别的自动修复

• 量子计算机：遵循量子力学的物理计算机

  • 2013年5月，谷歌和NASA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年就组建了量子实验室
  • 阿里巴巴在2017年成立了达摩院

微型计算机的发展历史

受限于性能（单核CPU）

• （1971～1973）500KHz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）
• （1973～1978）高于1MHz频率的微型计算机（字长8位）
• （2000～现在）高于2GHz频率的微型计算机（字长为64位）

摩尔定律：集成电路的性能，每18-24个月就会提升一倍

摩尔定律逐渐“失效”。

多核CPU

• 2005） Intel奔腾系列双核CPU、AMD速龙系列
• Intel酷睿系列十六核CPU （2006）
• Intel酷睿四核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=每秒一万亿次浮点计算）

  Intel(R) Core(TM) i7-6700K CPU @ 4.00GHz： 44.87 GFlop/s

  44.87 GFlop/s = 0.04487TFlop/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
• 在大型机市场领域，IBM占据着很大的份额

可使用COBOL编程语言在大型主机上编写程序，

IBM Z9：

• NASA 最后一台大型机
• Red Hat Enterprise Linux
• 大型机造价高昂

去“IOE”行动（阿里2008年提出 -> 阿里云2009年成立）

I(IBM) O(Oracle) E(EMC)

• 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
• 代表了高维护费用的存储系统

迷你计算机（服务器）

• 也称为小型机，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
• 高端的通用微型计算机，提供比个人计算机更强大的性能

微型计算机

• 又称为个人计算机，是最普通的一类计算机
• 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

演进过程：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

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

组成：

• 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

具备的能力：

• 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、中间结果及最终运算结果的能力
• 能够长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力
• 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。

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CPU与存储设备之间的性能差异问题。

计算机的层次与编程语言

程序翻译与程序解释

人类语言 -> 计算机语言

需要进行语言之间的转换

• 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

程序翻译（编译型语言）：C/C++、Object-C、Golang

程序解释（解释型语言）：Python、Php、Javascript

计算机的层次与编程语言

分层的目的是便于理解：

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

微指令 < 微程序 = 机器指令

• 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，由几百种
• 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

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））
• 字节：1Byte=8bits
• 1024=2^10

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

为什么网上买的移动硬盘500G，格式化之后就只剩465G了？

硬盘商一般用10进位标记容量

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？

  网络常用单位为(Mbps)

  100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s、100Mbit/s=(100/8)MB/s=12.5MB/s

• CPU频率

  • 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

    并不是描述计算机领域所专有的单位（它是每秒中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

计算机的字符与编码集

• 字符编码集的历史

  • ASCII码

    • 字符编码集的国际化
    • 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 ^7

    • 缺点：

      很多应用或者国家中的符号都无法表示（数学符号：“÷ ≠ ≥ ≈ π”）

  • Extended ASCII码（第一次对ASCII码进行扩充，7bits => 8bits）

    • 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、韩国、日本等的语言最为复杂

• 中文编码集

  • GB2312

    • 《信息交换用汉字编码字符集——基本集》
    • 一共收录了 7445 个字符
    • 包括 6763 个汉字和 682 个其它符号

  • GBK

    • 《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

    • 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

  Windows系统默认使用GBK编码

  编程推荐使用UTF-8编码

---

学习过程中的视频摘录。如有侵权，忘告知，即刻删除。