计算机组成原理笔记（一）：概述

一、计算机的发展历史

计算机发展的四个阶段

第一阶段：电子管计算机 1946-1957

第二阶段：晶体管计算机 1957-1964

第三阶段：集成电路计算机 1964-1980

第四阶段：超大规模集成电路计算机 1980至今

第一阶段：电子管计算机

第二次世界大战是电子管计算机产生的催化剂

全世界第一台电子管计算机：英国为了解密德国海军的密文

最著名的电子管计算机：埃尼阿克（ENIAC）

• 战争使用了飞机和火箭
• 打得准需要计算射击参数
• 射击参数需要几千次的运算才能运算出来

即：没有计算机前，需要人工计算

埃尼阿克（ENIAC）

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

电子管计算机的特点

• 集成度小，占用空间大
• 功耗高，运行速度慢
• 操作复杂，更换程序需要换线

第二阶段：晶体管计算机

背景：贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管

全世界第一台晶体管计算机：TX-0，来自MIT林肯实验室

当时性能最高的晶体管计算机：PDP-1

• 4K内存，每秒200,000指令
• 配备512x512的显示器

晶体管计算机特点：

• 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

第三阶段：集成电路计算机

背景：德州仪器的工程师发明了集成电路（IC）

特点：

• 计算机变得更小
• 功耗变得更低
• 计算速度变得更快

标志计算机具备进入千家万户的条件

IBM卖的最好的两台计算机：7094、1401

• 主打功能不同
• 相互无法兼容
• 用户不愿意投入两组人力

操作系统的雏形：IBM推出兼容的产品Sytem/360

第四阶段：超大规模集成电路计算机

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

乔布斯推出了Apple和Apple二代

第五阶段：未来的计算机

生物计算机：以蛋白质分子为主要原料

• 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：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,BM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)
• (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

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

二、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

标记他们的运算速度的单位是TFlop/s

1TFlop/s = 每秒一万亿次浮点计算

截止2019年11月 世界前三的超级计算机

名字	制造商	处理器	峰值速度
Summit	IBM（美国）	2397824	200795 TFlop/s
神威 太湖之光	中国	10649600	125436 TFlop/s
Sierra	IBM（美国）	1572480	119193 TFlop/s

大型计算机

又称大型机、大型主机、主机等

具有高性能，可以处理大量数据和复杂的运算

在大型机市场领域，IBM占据大部分份额，如IBM Z9

编程语言：COBOL语言

去IOE行动：去IBM、Oracle、EMC

• 去IOE是阿里巴巴2008年提出的概念
• 代表了高维护费用的存储系统
• 不够灵活，伸缩性弱
• 阿里云在2009年成立

迷你计算机（服务器）

又称小型机，普通服务器

不需要特殊的空调场所

具备不错的算力，可以完成较复杂的运算

普通服务器组已经代替了大型机

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

又称个人计算机，是最普通的一类计算机

可以分为台式机、笔记本电脑、一体机等

麻雀虽小、五脏俱全

从构成的本质来讲，个人计算机与前面的分类无异

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三、计算机的体系与结构

冯诺依曼体系

定义：将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构

1. 早期计算机仅含固定用途程序

2. 改变程序得更改结构、重新设计电路

3. 把程序存储起来并设计通用电路

冯诺依曼体系要求：

• 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

所有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岀给用户

冯诺依曼瓶颈：

CPU处理速度快，而传输速度慢，CPU经常空转等待数据传输

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CPU与存储设备之间的性能差异问题

现代计算机结构示意图：

从磁带和硬盘到了更高速度的设备：内存、CPU寄存器

可以理解为以存储器为核心

四、计算机的层次与编程语言

程序翻译与程序解释

出现：人类语言≠计算机语言，需要进行语言之间的转换

例子：

• 较为高级的计算机语言L1
• 较为低级的计算机语言L0

程序程序翻译：编译器对L1进行程序逻辑描述，生成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

编程语言

程序翻译：C/C++、Object-C、Golang

程序解释：Python、PHP、JavaScript

翻译+解释：Java、C#

计算机层次

• 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 < 微指令 = 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
  • 例子：PUSH DS AX MOV AX,0040 MOV DS,AX
• 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++、 Galang等
• 应用层
  • 满足计算机针对某种用途而专门设计
  • 如Word、Excel、PPT等

分层目的是便于理解

五、计算机计算单位、字符和编码集

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称为bit（比特位）

而0/1能够表示的内容太少了,需要更大的容量表示方法，催生了字节：1Byte = 8Bits

常见单位表，1024=2^10

	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	-	8bits	1024B	1024KB	1024MB	1024GB	1024TB	1024EB
用途	门电路	-	寄存器	高速缓存	内存/硬盘	硬盘	云硬盘	数据仓库

硬盘商一般用10进位标记容量

速度单位

网络速度

网络常用单位为Mbps

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

100Mbit/s = (100/8)Mb/s = 12.5MB/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)
• 主流CPU的时钟频率都在2GHz以上
• Hz其实就是秒分之一，它是每秒中的周期性变动重复次数的计量，并不是描述计算机领域所专有的单位

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=128=2^7
• ASCII码表，很多应用或者国家中的符号都无法表示
  

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，国标2312

• 《信息交换用汉字编码字符集——基本集》
• 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

Unicode，兼容全球的字符集

• Unicode:统一码、万国码、单一码

• Unicode定义了世界通用的符号集,∪TF-*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