2020-12-10-计算机基础

计算机发展史

第一代计算机
- 体积127m2
- 1946-1957
- 主要使用真空电子管
  - 电子管体积大，散热多
第二代计算机
- 晶体管
- 1958-1964
- 价格降低，体积减小，性能提高（代替了真空电子管）
- 推进广泛使用电子计算机
- 电子线路结构大大改观
第三代计算机
- 使用的集成电路
- 1965-1970
- 集成电路使用的元器件数量在短时间内翻倍增长
- 1cm2可以集成上百万个电子器件（第四代计算机铺垫）
第四代计算机
- 大规模集成电路
第五代计算机？人工智能计算机（日本）

可以看出计算机发展是按照计算机所使用的的物理器件来划分的，电子组成元器件

摩尔定律（计算机界的黄金定律）

价格不变动时，制作计算机的集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔24（18）个月就增加一倍
微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半
用一美元买到的电脑性能，每隔18个月翻一倍

计算单位(用来衡量计算机的发展速度)

1k = 1024

1M = 1024K

1G =1024M

1T = 1024G

1P = 1024T(世界最快的计算机已经达到了P的级别)

1E = 1024P

超级计算机（巨型机）

它的发展可以看作国家科技发展水平的标志

应用

天气预报
地质勘测
卫星图像处理
。。。

以上这些都是需要大量计算来完成的

大规模数据计算一定会用到超级计算机

研制水平
生产水平
应用能力

以上为超级计算机发展方向，来衡量国家经济实力与科学水平的重要标志

Scratch

Scratch由美国麻省理工学院开发的免费的程序设计的语言环境

应用

互动故事
动画
游戏
音乐
艺术

BYOB-会唱歌的小精灵

积木式编程
自底向上编程的方法

二进制

逢二进一
相邻为高位为低位的二倍
小数位
- 小数第一位代表2的负一吃放
- 小数第二位代表2的负二次方
- 以此类推

二进制加法

同样可以使用竖式计算

进制问题

如果采用的数制有R个基本符号，那么这个数制为R进制

R称为这种数制的基数

逢R进一

把一个R进制转换为10进制

25什么情况下等于31？

（25）10进制 =（31）8进制

十进制转换为2进制

整数十进制转换为二进制

技巧：整数十进制数除以2，第一次所得余数即为2进制数整数部分的最低位（即b0），第二次除以2得到的余数为b1

除以2取余，余数为整数部分依次低位到高位

小数部分十进制转换为二进制（并不一定每位十进制小数都能找到对应的二进制对应的等值转换）

技巧：小数乘2取整，第一次取整为二进制小数部分的高位，第二次取第一次的结果的小数部分再次乘2，得到的整数部分为小数部分的第二高位，依次类推，直到乘到小数部分的数字为0为正

乘以2取整，整数为小数部分依次高位到低位，每次乘完结果的小数部分为0则计算结束

win10计算机的进制转换

FN+f12切除计算机
点击左上角切换到程序员模式

0与1的故事

计算机为什么使用0,1二进制来操控

状态简单（适合计算机这样严密的机器使用）
- 相比用10个稳定状态操控，2个稳定状态无疑是最简单的
- 电流的有无
- 开关的闭合
- 更经济
- 。。。

这里举一个例子：比较一下2的33次方与10的10次方各需要的状态数（2的33次方与10的10次方所表示的数值范围非常相近）

可靠性，稳定性高
运算规则简单，简化设计
通用性强

计算机

计算机的核心
- CPU
  - ALU 算术逻辑单元
  - CU

计算机当中的溢出

在使用电子计算装置的时候都要考虑计算转置的范围和精度

范围
- 计算机所表示的数值的上限
精度
- 计算机所表示的数值的下限

溢出：超出电子计算装置所能表示的数值的范围称为溢出

计算机当中的数字截断误差

程序编写

变量初始化
分支
循环
顺序结构

结构化程序设计

目的：为了解决问题

自顶向下

搭积木的自底向上方式
自顶向下，计算机结构化程序设计就是采用自顶向下（结构指的是计算机使用的3个基本机构，顺序结构、循环结构、分支结构
1. 大问题化解为一系列小问题
2. 这些小问题化解为更小的一系列问题
3. 直至计算机能够做到的小问题（即这里怎么知道写程序来解决整个问题，直到用程序设计语言能够实现为止），最后拼接起来这些所有的小问题

自顶向下，逐步求精，抽象化到具体化，抽象的不好，具体求精也不能很好实现

模块化设计

大块的功能分为若干个子模块

结构化编码

高级语言使用的基本程序结构顺序结构、循环结构、分支结构（如果，那么）

图灵与图灵机（计算机理论上的突破）

既能完成八音盒的功能（根据纸带来弹奏音乐 自动输入，手动输出），又能完成自动加法器的功能（根据手动输入的弹珠，来计算加法，手动输入，自动输出）

图灵机工作原理**（自动输入，自动输出）**
- 读写器（读写输入的内容，写出空白格的内容）
- 控制器（声明运算法则）
- 输入符号

图灵机工作表（一组转换规则）（用来完成N+1的动作）

S起始状态
G结束状态

图灵机为理想计算机的数学模型

变换规则表=>控制器，完成不同的计算

规则表由一系列的规则组成

起始状态，读写头所在位置的符号=>是否输出符号=>动作：是否移动，左移还是右移=>状态的改变。。。

什么是计算，到底什么是计算？

加法毋容置疑为计算
x的平方转换为2x 也是计算求导计算
China=>中国
排序
公里与推到规则转换为定理

以上都是属于计算，本质上从一个符号变换为另一个符号

输入相同的结果，不同的计算程序（图灵机上的控制器），得到的结果也不同

计算机是如何工作的

布尔代数

构成了计算机的数学和逻辑基础

基本的三中布尔运算

二元与
二元或（OR）
一元非（NOT）

布尔代数运算可以使用电路来实现

二元与串联
二元或并联
非开关短接负载

冯诺依曼

101报告 1945.6

把计算机分为5大组件，指出了基本工作方法，给出了计算机结构设计---- 称为冯诺依曼体系结构

存储器 为内存存放执行的程序，数据指令
- 内存计算机运行的过程中，需要的使用的数据和指令都放在内存当中，CPU也是直接跟内存打交道
- 外存
  - 这里举个例子
  - 当我们准备使用计算机的浏览器的时候
  - 在你双击浏览器的一瞬间，浏览器程序就会从外存进入内存了
  - 此时浏览器启动
  - 可以使用CPU来解决用户的需求
运算器（算术逻辑单元）对数据进行处理和运算
- 寄存器用来暂存数据
控制器（控制单元）实现计算机本身的自动化过程，指令自动装入，自动执行

计算机里把运算器和控制器集成在一个芯片上，称为中央处理单元（CPU）

输入设备 用来指挥计算机工作包括鼠标，键盘来输入原始数据和运行的程序
输出设备 显示器，显示屏，打印机

总线作为5大计算机组件的信息通道

数据总线
地址总线
控制总线

计算机系统

刚生产的计算机什么都没安装只有硬件，叫裸机
在1969年，IBM360系统取得成功后，1970年1月一日正式出现了软件硬件的划分
- 硬件所有的电子机械装置
- 软件是相对硬件而言的有计算机硬件执行，完成一定任务的所有程序和数据使用计算机的资源的软件
  - 系统软件面向计算机的软件
  - 应用软件面向用户的软件
计算机造出来第一个安装的软件就是系统软件------操作系统
操作系统也是由千万行代码所组成的
- 操作系统本质上是软件
- 用来管理计算机的硬件与软件的协调
- 向下来管理计算机硬件—对底层硬件进行封装
- 向上给用户提供与计算机的交互接口
  - 操作系统的管理功能：
  - 操作系统对CPU的管理叫做进程管理
  - 对内存的管理叫做存储管理（处理器管理）
  - 对输入输出设备的管理叫做设备管理
  - 对所有软件的管理叫做文件管理
  - 操作系统的服务功能
  - 给计算机用户提供用户接口
    - 电脑桌面的各种应用软件就是用户接口
杀毒，办公文档，娱乐软件，游戏等都为应用软件

每一个外接到计算机的硬件都要给计算机操作系统进行报道

比如，在计算机上外接一个打印机（硬件）

那么这个报道过程就是你要给计算机装驱动打印机的程序（软件）

冯·诺伊曼瓶颈

在CPU与存储器之间的流量（数据传输率）与存储器的容量相比起来相当小，在现代计算机中，流量与CPU的工作效率相比之下非常小，在某些情况下（当CPU需要在巨大的数据上运行一些简单指令时），数据流量就成了整体效率非常严重的限制。CPU将会在数据输入或输出存储器时闲置。由于CPU速度远大于存储器读写速率，因此瓶颈问题越来越严重。

计算机中的程序

完成既定任务的一组指令序列

程序是一组指令的集合，为了完成某项任务而用某种编程语言编写的一组指令的集合这种工作模式称作存储程序控制

指令是对计算机进行程序控制的最小单位

操作码加法，减法等等
操作数需要操作的数据，谁来加法，减法

指令周期

取指令
分析指令
执行指令
指令计数器处理用来记载指令执行到了哪一条（递增动作）

计算机存储程序控制原理

能够存储程序
控制程序（自动执行）

CPU可以看作计算机的大脑，程序就是计算机的“灵魂”

计算机高级程序设计语言

对计算机来说它是精确的
对人来说它是比较容易理解的
设计出来的语言独立于CPU的，不包含CPU相关的指令内容

人机交互通过计算机程序设计语言

源代码

人们设计的高级程序语言

目标代码

0101代码计算机能够识别的代码

编译器

计算机上能够把源代码自动转换为目标代码的工具

解释器（有别于编译器）

是一种电脑程序，能够把高级编程语言一行一行直接转译运行。解释器不会一次把整个程序转译出来，只像一位“中间人”，每次运行程序时都要先转成另一种语言再作运行

计算机编程

把组成计算机程序的指令称为代码
程序可以包含几百万行代码，由程序员开发

汇编语言

了解硬件的使用指令来编写汇编语言相关程序

汇编语言也要转换为0101 才能够让计算机去执行
这个转换汇编语言为0101的程序称为汇编程序

计算机语言分类

高级语言
- 计算机高级程序设计语言
- 。。。。
低级语言
- 汇编语言
- 机器语言（0101）

进程

进程是程序执行的一次过程
系统进行资源分配和调度的独立单位
应用程序启动进入内存就变成了一个进程
进程在CPU当中是走走停停，间断性的
由于CPU运算速度非常快，让用户觉得CPU可以同时处理多个进程
事实上，CPU每次都只处理一个进程

CPU直接跟内存中的进程打交道，不与程序直接打交道

特征

动态性
独立性
开发性

进程周期：创建而产生，调度而执行，等待而暂停，完成而消亡

进程与程序的区别

进程是动态暂时性的
程序是静态永久性的
程序每次执行构成不同的进程，一个程序可以对应多个进程

线程（应用程序被使用和调度的最小单位）

线程被包含在进程当中

一个进程中可以存在多个线程
线程在进程中是并行运行的
这些进程中的线程公用CPU，轮流使用并执行
利用分时，CPU的告诉并行执行

存储管理

虚拟内存管理

虚拟内存为计算机在外存上开辟的一个临时内存空间，内存运行程序暂时用不到的指令存放在这里

当用户使用计算机进行很多个应用程序时，为什么计算机能够顺利的对用户打开的多个程序进行处理呢？

用户所打开的应用程序，计算机只会把可能用到的程序指令送入内存
用过的指令可能存在内容当中，也可能被送入虚拟内存
计算机访问虚拟内存的速度与访问内存速度相差还是很大的