计算机组成原理之概述篇

一 、章节导学

• 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语言
• 计算机的计算单位
• 计算机的字符与编码集

二、计算机的发展历史

• 计算机发展的四个阶段
• 微型计算机的发展历史

1. 计算机发展的四个阶段

阶段	时间	名称
第一阶段	1946-1957	电子管计算机
第一阶段	1957-1964	晶体管计算机
第一阶段	1964-1980	集成电路计算机
第一阶段	1980-现在	超大规模集成电路计算机

1.1 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

  
  电子管

• 第二次世界大战是电子管计算机产生的催化剂
  英国为了解密德军海军的密文

埃尼阿克（ENIAC）

• 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

1.2 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

晶体管

TX-0

TX-0

• 来自MIT林肯实验室

PDP-1

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• 4k内存，每秒200,000指令
• 配备512*512的显示器

1.3 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

德州仪器的工程师发明了集成电路（IC）

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计算机具备了进入千家万户的条件

IBM：7094，1401

• 主打功能不同
• 相互无法兼容
• 不愿意投入两组人力

IBM退出兼容的产品System/360 ==> 操作系统的雏形

1.4 超大规模集成电路

• 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

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1.5 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
• 不易损坏，生物级别的自动修复
• 不受信号干扰，无热损耗

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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

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2. 微型计算机的发展历史

2.1 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) 500KHz频率的微型计算机（字长8位）
• (1978 ~ 1985) 500KHz频率的微型计算机（字长8位）
• (1985 ~ 2000) 500KHz频率的微型计算机（字长32位）
• (2000 ~ 今) 500KHz频率的微型计算机（字长64位）

2.2 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志强系列五十六核CPU

三、计算机的分类

1. 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

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2. 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

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：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
• 不够灵活，伸缩性弱

去“IOE”运动（阿里2008年提出）=> 阿里云（阿里云2009年成立）

3. 迷你计算机

• 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

大型机 => 普通服务器
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

4. 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

  
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5. 微型计算机

• 又称为个人计算机，是最普通的一类计算机
  台式机，笔记本电脑，一体机
• 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

四、 计算机的体系结构

1. 冯诺依曼体系

1.1 概念

将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构

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现代计算机都是冯诺依曼机

1.2 要求

• 必须有一个控制器
• 必须有一个存储器
• 必须有一个运算器

1.3 功能

• 能够长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力
• 能够把需要的程序和数据送至计算机中
• 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

1.4 结构

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1.5 冯诺依曼瓶颈

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2. 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

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五、 计算机的层次与编程语言

1. 程序翻译与程序解释

1.1 为什么要程序翻译

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1.2 程序翻译

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1.3 程序解析

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1.4 程序翻译与程序解析

• 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

1.5 语言分类

• 程序翻译
  C/C++
  Object-C
  Golang

• 程序解释
  Python
  Php
  JavaScript

• 翻译+解释
  Java
  C#

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2. 计算机的层次与编程语言

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2.1 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

2.2 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

2.3 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

2.4 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

2.5 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

PUSH DS
PUSH AX
MOV AX,0040
MOV DS,AX

2.6 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

2.7 应用层

• 满足计算机针对某种用途而专门设计