【计算机组成原理】计算机组成原理背景

╰半夏微凉° 2022-12-06 05:27 375阅读 0赞

## 计算机的发展史 ##

### 计算机发展的四个阶段 ###

计算机发展可大致分为四个阶段：`电子管计算机` \-> `晶体管计算机` \-> `集成电路计算机` \-> `超大规模集成电路`

*  电子管计算机  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]
    
     *  集成度小，空间占用大
     *  功耗高，运行速度慢
     *  操作复杂，更换程序需要重新接线
 *  晶体管计算机  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]
    
     *  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
 *  集成电路计算机  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]
    
     *  计算机变得更小
     *  功耗变得更低
     *  计算速度变得更快
 *  超大规模集成电路计算机  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]
    
     *  一个芯片继承了上百万的晶体管
     *  速度更快，体积更小，价格更低

### 微型计算机的发展历史 ###

从 `单核CPU` 发展为 `多核CPU`，从 `500KHZ` 到现在的 `2.4GHZ`  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

## 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，一般用于国家高科技领域和尖端技术研究

*  运算速度单位为 `TFlop/s`，每秒一万亿次浮点运算
 *  世界排名第一的超级计算机为 IBM 的 `Summit` 超级计算机，中国排名第一的为国家计算机技术研究中心的 `神威 太湖之光`

### 大型计算机 ###

大型计算机具有高性能，可处理大量数据与复杂的运算，IBM 就是著名的大型计算机厂商  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
上图为 IBM 的 Z9

### 服务器 ###

微型计算机就是我们经常使用的服务器，具备一定能力的算力，可以完成较复杂的运算

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
一般的服务器就是机房的一台小机器

### 个人计算机 ###

满足个人正常的办公、娱乐需求  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

## 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

早期的计算机只包含固定用于程序，若要改变程序，则需要重新设计电路结构，而冯诺依曼体系则解决了这一问题，存储程序指令，设计通用电路。  
在设计概念中：

*  必须有一个输入设备
 *  必须有一个输出设备
 *  必须有一个存储器
 *  必须有一个控制器
 *  必须有一个运算器
    
    `输入设备` 能够把需要的程序和数据送至计算机中  
    `存储器` 能够长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力  
    `计算器` 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  
    `输出设备` 能够按照要求将处理结果输出给用户  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

> CPU = 运算器 + 控制器

这样的设计存在一个问题：CPU 和 存储期的速率无法匹配，CPU 需要经常空转等待存储器

### 现代计算机结构 ###

现代的计算机结构解决了冯诺依曼计算机存在的问题，将存储器放在 CPU 中。

> CPU = 运算器 + 控制器 + 存储器

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]  
内存的存取速度远高于外存

## 程序翻译与程序解释 ##

#### 翻译 ####

将 `高级语言` 通过编译器翻译为 `低级语言`

#### 解释 ####

用 `低级语言` 编写的解释器解释 `高级语言` 为 `低级语言`

**翻译与解释的区别**

*  计算机执行的都是低级语言
 *  翻译需要生成新的低级语言程序
 *  解释只需要由低级语言编写的解释器去解释执行

`Java` 属于 `翻译+解释` 类型的语言，由编译器便以为 JVM 字节码，由解释器解释为机器码

## 计算机的计算单位 ##

### 容量 ###

![在这里插入图片描述][20200912204508154.png_pic_center]  
为什么一般的 500G 硬盘但只有 465G 呢？是因为硬盘厂商都是用 10 来标记容量的，所以真实的容量会更小。

### 速度 ###

**网络速度**  
网络的常用单位为 Mbps，我们常说的 100M 网络，并不是指 100M/S 的速度，而是指 100Mbps/S，也就差不多是 12.5MB/S。

**CPU速度**  
`GHZ` 代表每秒运算十亿次，现在大部分的 CPU 时钟频率都在 2GHZ 以上

## 计算机的字符编码 ##

### ASCII 码 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTgxMjgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]

*  `A~Z`：用 65 ~ 90 表示
 *  `a~z`：用 97 ~ 122 表示
 *  `0~9`：用 48 ~ 57 表示

### GB2312 码 ###

*  包括 6763 个汉子和 682 个其他符号

### GBK ###

*  向下兼容 GB2312，向上支持国际 ISO 标准
 *  收录 21003 个汉字，支持全部中日韩汉字
 *  Windows 系统默认使用 GBK 编码

### Unicode ###

*  万国码
 *  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

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