【计算机组成原理】计算机概论背景篇

计算机概论背景篇

计算机的发展简史

计算机发展的四个阶段

第一个阶段：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

** 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
• 计算速度变得更快

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，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

**第五个阶段：未来的计算机 **
生物计算机

• 体积小，效率高
• 不易损坏，生物级别的自动修复
• 不受信号干扰，无热损耗

量子计算机

• 2013年5月，谷歌和NASA发布D-Wave Two
• 017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

微型计算机的发展历史

自第一台微型计算机MCS-4诞生后，一直到现在，微机计算机的发展非常迅速！对于微型计算机的发展，一般以字长和典型的微处理器芯片作为划分标志，将微型计算机的发展划分为五个阶段。

第一个阶段（1971～1973）
主要是字长为4位的微型机和字长为8位的低档微型机。这一阶段的典型微处理器有：世界上第一个微处理器芯片4004，以及随后的改进版4040，它们都是字长为4位的。在随后的第二年，Intel又研制出了字长为8位的处理器芯片8008，集成度和性能都有所提高。8008采用PMOS工艺，字长8位，基本指令48条，基本指令周期为20～50uS，时钟频率为500KHz，集成度约为3500晶体管/片。

第二个阶段（1973～1978）
主要是字长为8位的中、高档微型机。这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的I8080、I8085、Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80等。以I8080为例，I8080采用NMOS工艺，字长8位，基本指令70多条，基本指令周期为2～10uS，时钟频率高于1MHz，集成度约为6000晶体管/片。

第三个阶段（1978～1985）
主要是字长为16位的微型机。这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的8086/8088/80286、Motorola公司的M68000、Zilog公司的Z8000等。以I8086为例，I8086采用HMOS工艺，字长16位，基本指令周期为0.5uS，集成度约为2.9万晶体管/片。

第四个阶段（1985～2000）
主要是字长为32位的微型机。这一阶段典型的微处理器芯片有：Intel公司的80386/486/Pentium//Pentium II//Pentium III //Pentium IV等。以I80386为例，其集成度达到27.5万晶体管/片，每秒钟可完成500万条指令（MIPS）。

第五个阶段（2000～）
出现了字长为64位的微处理器芯片。主要还是面向服务器和工作站等一些高端应用场合。如2000年Intel推出的微处理器Itanium（安腾），它采用全新指令架构IA-64。而AMD公司的64位微处理器Athlon 64则仍沿用了x86指令体系，能够很好的兼容原来的IA-32结构的个人微机系统，具有一定的普及性。

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

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

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

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

计算机的体系结构

冯诺伊曼体系

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

两个瓶颈

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

• 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
• 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

总结：分层的目的是便于理解

计算机的计算单位

容量单位

字节：1Byte=8bits

• 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

注：0/1称为bit（比特位）

问题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？

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

问题2：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

100M宽带中的100M怎么理解?

100M = 100M/s

那么问题来了，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)
• 主流CPU的时钟频率都在2GHz以上
  注意:
• 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

计算机的字符与编码集

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）

33+95= 2^7

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

《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 个汉字和 682 个其它符号

《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

注意：
Windows系统默认使用GBK编码
编程推荐使用UTF-8编码