查看源文件

计算机组成原理

1 计算机发展简史

计算机发展的四个阶段

1. 1946-1957：电子管计算机
   • 二战中英国为破解德国密文设计的
   • ENIAC：战争中计算导弹参数；大且操作复杂
2. 1957-1964：晶体管计算机
   • 贝尔实验室发明晶体管
   • MIT：TX-0；PDP-1，配备512*512显示器
   • 集成度高；空间占用小；功耗低
3. 1964-1980：集成电路计算机
   • 德州仪器发明集成电路
   • 降低尺寸和功耗
   • IBM：system360，操作系统雏形
4. 1980-now：超大规模集成电路计算机
   • 芯片中集成了百万级别的晶体管

微型计算机的发展历史

• 2000左右，出现了高于1GHz的CPU，字长32位
• 单核CPU越来越复杂，不再遵循摩尔定律，出现多核CPU

计算机分类

• 超级计算机

  • 衡量单位 1 TFlops/s = 每秒一万次浮点运算

  • 世界第一：IBM summit 200795 TFlop/s；中国第一：神威太湖之光125436 TFlops/s

• 大型计算机

  • 阿里2008年提出 去 IOE 行动：（IBM系统、Oracle数据库、EMC存储）

• 小型计算机

  • 普通服务器，已经构成了大规模企业计算的中枢

• 工作站

• 微型计算机

计算机体系结构

1. 冯诺依曼体系

• 早期计算机仅包含固定程序 → 改变程序意味着重新设计专有电路 → 设计出通用电路、将程序存储起来
• 创造通用的指令集结构，将运算转换为指令
• 将程序指令和数据一起存储
• 组件：
  • 存储器、控制器、运算器、输出输出设备
• 现代计算机都是冯诺依曼体系
• CPU = 控制器 + 运算器
• 早期冯诺依曼结构：存储器和CPU分开 → CPU快 存储器慢 → CPU空转等待存储器 → 冯诺依曼瓶颈

2. 现代计算机结构
   • 在冯诺依曼结构上改进，将存储器包括进CPU
   • 现代CPU以存储器为核心
3. CPU类型简单区分
   • x86 / x64：基于架构的复杂指令集，二者CPU位数不同
     • x86 = x86_32 （32位）; x64 = x86_64 （64位）
   • x64 / amd64：都是64位处理器，二者公司不同
     • x64：Intel公司
     • amd64：amd公司
     • 对于安装程序而言，二者一样
   • ARM架构
     • x86架构主要用于PC；ARM架构主要用于手机和pad
     • arm架构32位：arm v7；arm架构64位：arm64

计算机层次与编程语言

1. 程序翻译和程序解释

   • 翻译是将高级语言通过编译器转化为为机器语言；解释是将高级语言解释为低级语言
   • 程序翻译：C/C++、Golang；程序解释：python，Php，JavaScript；
   • 翻译+解析：Java（Java代码 —编译⇒ JVM字节码 —解释⇒ 机器码）

2. 层次

   硬件逻辑层 - 微程序机器层 - 传统机器层 - 操作系统层 - 汇编语言层 - 高级语言层 - 应用层

   • 硬件逻辑层：

     门电路、逻辑电路

   • 微程序层：

     微指令集 - 微程序 - 硬件执行

   • 传统机器层

     CPU指令集（机器指令）- 微程序解析

   • 操作系统层

     • 向上提供建议操作界面；向下对接了指令系统，管理硬件资源；软件和硬件之间的适配层

   • 汇编语言层