【计算机组成原理】计算机组成原理背景

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
- 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
- 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
- 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
- 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

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

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

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

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

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

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

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

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