计算机组成原理——篇一

简介

• 计算机组成原理在计算机基础综合中是涵盖范围最广，内容最多，难点最多的（准备好放弃了吗）
• 学习需要得法，提升效率。不可能所有内容都直观，接纳抽象的点，适当的跳过、再折回，可能会豁然开朗
• 貌似大牛都是软硬通吃，我的本科专业是物联网工程，和单片机周旋了很久，总想逃开硬件的坑，后来发现那是段珍贵的岁月。人都是差不多的，每个人只需要自成体系，帅的独特！
• 这里是第一篇，从计组开始，后续包括操作系统、计网、数据结构
• 尽量对接考研408内容，会有少量的思考问题，知行合一，目标是搭建好计算机知识体系
• 计算机基础不单是大厂笔试和面试会考察，总理也说大学生要关注基础知识的学习

计算机的发展

• 可能每个人看到这部分都觉得很多余，赶紧学现在的东西呗，搞什么历史？我觉得原因主要有两点
  • 理清发展脉络，才能洞悉技术真相，逐步激发学习兴趣
  • 以史为鉴，机器演进史也是人类认识发展史
• 计算机发展的四个阶段
  • 1946——1957年：电子管计算机（ENIAC）
  • 1957——1964年：晶体管计算机（PDP-1）
  • 1964——1980年：集成电路计算机（System 操作系统雏形）
  • 1980至今：超大规模集成电路计算机（集成晶体管）
  • 衡量的指标：集成度、空间占用、功耗、运算速度、操作复杂度
  • 下一个阶段很可能是遵循量子力学的物理计算机
• 微型计算机的发展：个人计算机
  • 单核CPU：频率即时钟频率，也称主频，可以衡量计算机运算速度
    
  • 多核CPU
    
• 超级计算机
  • 功能最强，容量最大，速度最快
  • 用于支持国家高精尖领域计算
  • 运算单位：TFlop/s；1TFlop/s即每秒一万亿次浮点运算，也相当于4GHz微型计算机的十倍以上，而超级计算机的峰值速度：
    
  • 中国的超算：
    
• 大型计算机
  • 大量数据的处理与复杂运算，例如银行金融、人口普查等
  • IBM占据大部分市场，造价高昂，阿里也因此提出了“去IOE行动”
  • 2009年阿里云成立，普通服务器集群代替了大型机

计算机的体系和结构

冯诺依曼体系

• 概念
  • 也叫存储型计算机，我们现在使用的基本都是冯诺依曼机
  • 将程序指令和数据一起存储的设计方式
  • 早期的计算机用途固定，程序和电路对应，更改程序必须重新设计电路
  • 冯诺依曼将程序存储，设计通用电路，实现功能扩展
    
• 功能
  • 能够将程序和数据送入计算机中，将结果输出给用户（输入输出设备）
  • 能够长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果（存储器）
  • 具备算数、逻辑运算和数据传送等数据加工处理能力（控制器、运算器）
• 结构
  • 早期的设计结构：
    
  • 上图结构的主要问题：CPU速度远高于存储器，造成经常空转等待数据传输

现代计算机结构

• 基于冯诺依曼体系，为了调和CPU和存储部件的性能差异，提出如下结构：
  
  • ------是控制线和反馈线
  • ——>是数据线
• 这里的存储器是更高速的设备：寄存器和内存
• 由于控制器和运算器关系紧密，被集成在一块芯片上

程序翻译和解释

• 将人类语言变成计算机能识别执行的指令需要翻译或解释
• 编译器
  • 由高级计算机语言（C语言）生成新的计算机可识别的低级语言程序
  • 很多编辑器里面集成了编译器，也叫IDE（集成开发环境）
• 解释器
  • 不生成新的程序，而是将高级语言程序（Python）解释一句执行一句
  • 有些语言是编译+解释，例如Java和C#
  • JVM和Java字节码文件让程序具有良好的移植性
    

计算机层次

• 可以划分为两层：实际硬件层和虚拟机器层
  
• 硬件逻辑层
  • 门、触发器等逻辑电路
  • 属于电子工程领域，考研需要了解简单的电路设计（数据通路）
• 微程序机器层
  • 高级语言编译成机器指令，再转换成微程序（微指令集）交由硬件执行
  • 微指令是硬件电路可直接执行的命令
• 传统机器层
  • 机器指令（CPU指令集），不同架构的CPU使用不同的机器指令集（Intel和AMD）
  • 现今的发展方向包括：精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）
  • 这一层的编程语言和硬件直接相关（一般不会在这编的）
  • 可以理解成：一条机器指令 = 一个微程序，一个微程序 = 一组微指令
• 操作系统层
  • 向上提供操作界面
  • 向下对接指令系统，管理硬件资源
• 汇编语言层
  • 汇编语言可直接翻译成机器语言，由汇编器完成
  • 汇编语言基本易于理解了
• 高级语言层
  • 当今流行的高级语言：C++、Python、Java等
• 应用层
  • 我们常用的软件：office、微信等

计算单位

• 容量单位
  • 在物理层面，高低电平记录信息，理论上只有0/1两种状态
  • 需要更大的容量单位，先出现了字节，1Byte=8bits，可存储256种状态
  • 随着数据量增长，出现了更大的单位：1024=2^10
    
  • 注：一般的硬盘运营商以10进制标记容量，容易理解；因此500G格式化后变成465G
  • 只要不是容量，都是以10进制为单位，例如在速度方面：1M=1000000
• 速度单位
  • 网络速度：例如100M宽带，即100Mbps=100Mbit/s，因此我们看到的峰值为12M/s左右
  • CPU速度：一般体现为时钟频率，例如2GHz

字符编码

• ASCII码
  • 使用7个bit位表示我们常用到的字符，例如大小写英文字母、标点符号、字符数字等
    
  • 由于ASCII码不能表示其他国家的字符和数学符号，又出现了Extended ASCII，使用8bit
    
• 越来越多的国家加入计算机使用行列，需要表示更多的字符，以中国、韩国、日本的语言最为复杂
• 来看中文编码集
  • GB2312，一共收录了7445个字符
  • GBK，向下兼容2312，向上支持国际ISO标准，收录21003个汉字（Windows默认使用）
  • 但是其他国家的计算机仍需要装入字符集才能识别，于是出现了Unicode编码，可统一表示全世界的语言
• Unicode定义了世界通用的字符集，UTF-*实现了编码，例如UTF-8使用字节为单位对Unicode编码
• 在不同操作系统要注意编码转换

小结

• 这部分大致介绍了计算机的发展和结构，下一篇从具体的硬件组成出发，了解计算机的工作流程和原理

最后

以上就是腼腆哈密瓜为你收集整理的计算机组成原理——篇一的全部内容，希望文章能够帮你解决计算机组成原理——篇一所遇到的程序开发问题。

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