第一章 計算機組成原理 ---- 概述

第一節 章節導學

• 計算機的發展簡史
• 計算機的分類
• 計算機的體系結構
• 計算機的層次與編程語言
• 計算機的計算單位
• 計算機的字符與編碼集

第二節 計算機的發展歷史

• 計算機發展的四個階段
• • 第一階段(1946~1957):電子管計算機
  • • 發明背景：第二次世界大戰是電子管計算機產生的催化劑(英國爲了解密德國海軍的密文)。
    • 代表：埃尼阿克(ENIAC)，戰爭使用了飛機和火箭，爲了精確打擊目標需要通過幾千次的運算來計算彈道的射擊參數，埃尼阿克電子管計算機由此誕生，使得美國軍方的實力大大提升。
    • 由18000多個電子管組成，運行耗電量150千瓦，重量達30噸，佔地1500平方英尺。
    • 電子管計算機的特點：
    • 1. 集成度小，空間佔用大
      2. 功耗高，運行速度慢
      3. 操作複雜，更換程序需要換線
  • 第二階段(1957~1964):晶體管計算機
    • 發明背景：1948年，貝爾實驗室的三個科學家發明了晶體管，在此後的10年，晶體管的發明使得計算機的發展取得了革命性的進展。
    • 代表：世界第一臺晶體管計算機：TX-0，誕生於MIT林肯實驗室。
    • 代表：當時性能最高的晶體管計算機：PDP-1，配備4k內存，每秒可以執行200,000條指令；配備了一塊512×512的顯示器。
    • 晶體管計算機的特點：
    • 1. 集成度相對較高，空間佔用相對較小
      2. 功耗相對較低，運行速度較快
      3. 操作相對簡單，交互更加方便
  • 第三階段(1964~1980):集成電路計算機
    • 發明背景：德州儀器的工程師發明了集成電路(IC)，由於集成電路的出現，計算機具備了進入千家萬戶的條件。
    • 在當時，IBM有兩款計算機賣的火熱，一款是IBM 7094 ，一款是IBM 1401 ，但是這兩款計算機主打功能不同，無法相互兼容，IBM爲了解決兩款計算機的兼容問題，推出了System/360 ，System/360 就是操作系統的雛形。
    • 集成電路計算機的特點：
    • 1. 計算機變的更小
      2. 功耗變的更低
      3. 計算速度變的更快
  • 第四階段(1980至今):超大規模集成電路計算機
    • 喬布斯和他的朋友發明的Apple和Apple二代在當時深受歡迎。
    • 超大規模集成電路計算機的特點：
    • 1. 一個芯片集成了上百萬的晶體管
      2. 速度更快，體積更小，價格更低，更能被大衆接受
      3. 用途豐富：文本處理、表格處理、高交互的遊戲與應用
  • 第五階段：未來的計算機
    • 生物計算機，也稱仿生計算機，主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，並以此作爲生物芯片來替代半導體硅片，利用有機化合物存儲數據。
    • 生物計算機的特點：
    • 1. 體積小，效率高
      2. 不易損壞，生物級別的自動修復
      3. 不受信號干擾，無熱損耗
    • 量子計算機（quantum computer），是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。
    • 發展歷程：
      • 2013年5月，谷歌和VASA發佈D-Wave Two
      • 2017年5月，中國科學院宣佈製造出光量子計算機
      • 2019年1月，IBM展示了世界首款商業化量子計算機
      • 騰訊在2017年組建了量子實驗室，阿里巴巴在2017年成立達摩院
• 微型計算機的發展歷史
  • 微型計算機的發展主要是從算力角度出發，在早期，發展受限於性能。
  • 微型計算機使用的是單核CPU：
  • 摩爾定律：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。
  • 由於單核CPU的發展已經到達瓶頸，多核CPU出現：

第三節 計算機的分類

• 超級計算機

  • 功能最強、運算速度最快、存儲容量最大的計算機。

  • 多用於國家高科技領域和尖端技術研究，比如天氣預報、生物製藥、海洋監測、核聚變、加密解密等。

  • 標記其運算速度的單位是是TFlop/s。

    • 1 TFlop/s = 每秒一萬億次浮點計算
    • Intel(R) Core(TM) i7-6700K CPU @ 4.OOGHz 的浮點運算能力爲44.87 GFlop/s
    • 44.87 GFlop/s = 0.04487TFlop/s

  • 世界前三超級計算機排名（截至於2018年11月）

    • 名字	製造商	處理器(個數)	峯值速度
      Summit	IBM(美國)	2,397,824	200,795 TFlop/s
      神威 太湖之光	中國	10,649,600	125,436 TFlop/s
      Sierra	IBM(美國)	1,572,480	119,193 TFlop/s

  • 中國前三超級計算機排名（截止於2018年11月）

    • 名字	製造商	處理器(個數)	峯值速度
      神威 太湖之光	國家並行計算機工程 技術研究中心	10,649,600	125,436 TFlop/s
      天河二號	國防科大	3,120,000	33,862 TFlop/s
      天河一號	國防科大	202,752	2,566 TFlop/s

• 大型計算機

  • 又稱大型機、大型主機、主機等。
  • 具有高性能，可處理大量數據與複雜的運算，比如銀行金融交易的數據、人口普查等。
  • 在大型計算機領域，IBM佔據着很大的份額。
  • IBM Z9
    • NASA最後一臺大型機
    • 操作系統：Red Hat Enterprise Linux
    • 大型機造價高昂
  • 去“IOE”行動
    • I(IBM)：服務器提供商
    • O(Oracle)：數據庫軟件提供商
    • E(EMC)：存儲設備提供商
    • 去“IOE”是阿里巴巴在2008年提出的概念，阿里雲於2009年成立，去“IOE”行動直接或間接促進了阿里雲的誕生。“IOE”代表了高維護費用的存儲系統，隨着阿里用戶羣的快速增長，每年需要付出的成本以及硬件費用也越來越高。
    • 大型機所提供的服務不夠靈活，伸縮性弱，阿里巴巴爲了減少成本，增強服務器的靈活性，將海量數據從集中式的Oracle切換到分佈式的MySQL集羣，從縱向擴展到水平擴展，解決了數據庫拓展性問題，並用普通的服務器代替大型機。

• 迷你計算機（服務器）

  • 也成爲小型機，普通服務器
  • 不需要特殊的空調場所
  • 具備不錯的算力，可以完成較複雜的運算
  • 普通服務器製造商：Lenovo(聯想)、HUAWEI(華爲)、inspur(浪潮)
  • 去“IOE”是用普通服務器代替大型機，普通服務器已經代替了傳統的大型機，成爲大規模企業計算的中樞。

• 工作站

  • 高端的通用微型計算機，提供比個人計算機更強大的性能。
  • 類似於普通臺式電腦，體積較大，但性能強勁。

• 微型計算機

  • 又稱個人計算機，是最普通的一類計算機。
  • 從構成的本質上來講，個人計算機與前面的計算機無異。

第四節 計算機的體系與結構

• 馮·諾依曼體系
  • 將程序指令和數據一起存儲的計算機設計概念。
  • 必須有一個存儲器、一個控制器、一個運算器、輸入設備、輸出設備，現代計算機的本質都是馮·諾依曼計算機。
  • 馮·諾依曼體系結構：
    • 馮·諾依曼瓶頸：CPU和存儲器速率之間的問題無法調和。
  • 能夠通過輸入設備將需要的程序和數據送至計算機中，能夠通過存儲器長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力，能夠通過控制器、運算器完成算術運算、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力，能夠按照要求通過輸出設備將處理結果輸出給用戶。
• 現代計算機的結構
  • 在馮·諾依曼體系結構基礎上進行修改，可以理解爲以存儲器爲核心的結構。
  • 解決CPU與存儲設備之間的性能差異問題。
  • 存儲器從廣義上可以理解爲存儲數據的介質。

第五節 計算機的層次與編程語言

• 程序編譯與程序解釋
  • 爲什麼需要程序編譯與程序解釋？
  • 程序編譯
  • 程序解釋
  • 程序編譯和程序解釋的區別和聯繫
    • 計算機執行的指令都是L0
    • 編譯過程生成新的L0程序，解釋過程不生成新的L0程序
    • 解釋過程由L0編寫的解釋器去解釋L1程序
  • 編譯型語言：C/C++、Object-C、Golang、 Pascal、 FORTRAN
  • 解釋型語言：Python、Php、JavaScript、 BASIC
  • 嚴格來講，Java和C#既不屬於編譯型語言，也不屬於解釋型語言，二者屬於編譯+解釋型的語言。
    • 以Java理解什麼是編譯+解釋型的語言：
• 計算機的層次與編程語言
  • 硬件邏輯層
    • 門、觸發器等邏輯電路組成，屬於電子工程的領域。
  • 微程序機器層
    • 編程語言是微指令集，微指令所組成的微程序直接由硬件執行。
  • 傳統機器層
    • 編程語言是CPU指令集（機器指令）。
    • 編程語言和硬件直接相關。
    • 不同架構的CPU使用不同的CPU指令集。
    • 微指令、微程序、機器指令的關係：
      • 一條機器指令對應一個微程序，一個微程序對應一組微指令。
  • 操作系統層
    • 向上提供了簡易的操作界面。
    • 向下對接了指令系統，管理硬件資源。
    • 操作系統層是在軟件層和硬件之間的適配層。
  • 彙編語言層
    • 所用到的編程語言是彙編語言。
    • 彙編語言可以翻譯程可直接執行的機器語言。
    • 完成翻譯的過程的程序就是彙編器。
  • 高級語言層
    • 編程語言爲廣大程序員所接受的高級語言。
    • 高級語言的類別非常多，有上百種。
    • 常見的高級語言有：Python、Java、C/C++、Golang等。
  • 應用層
    • 滿足計算機針對某種用途而專門設計，如Microsoft Office。
    • 可以理解爲面向問題的應用語言。

第六節 計算機的計算單位

• 容量單位

  • 在物理層面，高低電平記錄信息。

  • 理論上只認識0 / 1兩種狀態，0表示低電平，1表示高電平。

  • 0 / 1稱爲bit（比特位），但是0 / 1能夠表示的內容太少了，需要更大的容量表示方法。

  • 字節：1Byte = 8 bits

  • 常見容量單位：1024 = 2 ^ 10

    • 	bit	Byte	KB	MB	GB	TB	PB	EB
      名字	比特位	字節	千字節	兆字節	吉字節	太字節	拍字節	艾字節
      比例	-	8bits	1024B	1024KB	1024MB	1024GB	1024TB	1024PB
      常見設備	門電路	-	寄存器	高速緩存	內存/硬盤	硬盤	雲硬盤	數據倉庫

    • 思考1：1G內存可以存儲多少字節的數據？可以存儲多少比特數據？

    • 答：1G = 1024 ^ 3 Bytes = 1024 ^ 3 * 8bits

    • 思考2：爲什麼500G的移動硬盤格式化之後就只剩465G了？

    • 答：硬盤商一般用10進位標記容量。 (500 * 1000 ^ 3) / 1024 ≈ 465

• 速度單位

  • 網絡速度
    • 網絡常用單位爲：Mbps
    • 100M寬帶：100M = 100 M/S = 100 Mbps = 100 Mbit/s
    • 思考：爲什麼100MB光纖測試峯值速度只有12MB每秒？
    • 答：100 Mbit/s = (100/8) MB/s = 12.5MB/s
  • CPU頻率
    • CPU速度一般體現爲CPU的時鐘頻率
    • CPU時鐘頻率的單位一般是赫茲（Hz）
    • 當前主流CPU的時鐘頻率都在2GHz以上
    • Hz:秒分之一，是每秒鐘的週期性變動重複次數的計量，並不是描述計算機領域所專有的單位。
    • 高低電平的變換頻率：
      • 2 GHz = 2 * 1000 ^ 3 Hz = 每秒20億次

第七節 計算機的字符與編碼集

• 字符編碼集的歷史
  • ASCII碼
    • 使用7個bit就可以完全表示ASCII碼95 + 33 = 128 = 2 ^ 7
    • 包含95個可打印字符，33個不可打印字符（包括控制字符）
  • Extend ASCII碼
    • 由於很多應用或者國家中的符號無法用ASCII碼，故第一次對ASCII碼進行擴充，7bits -> 8bits, 128 -> 256。
    • 包括常見數學運算符、帶音標的歐洲字符、其他常用符、表格符等。
  • 字符編碼集的國際化
    • 歐洲、中亞、東亞、拉丁美洲國家的語言多樣性
    • 語言體系不一樣，不以有限字符組合的語言
    • 中國、日本、韓國等的語言最爲複雜
• 中文編碼集
  • 1980年， GB2312，全稱《信息交換用漢字編碼字符集–基本集》，共收錄了7445個字符，包括6763個漢字和682個其它符號。
  • 1995年， GBK，全稱《漢字內碼擴展規範》，向下兼容GB2312，向上支持國際ISO標準，收錄了21003個漢字，支持全部中日韓漢字。
  • 兼容全球的字符集：Unicode，又稱統一碼、萬國碼、單一碼，Unicode定義了世界通用的符號集，UTF-*實現了編碼，UTF-8以字節爲單位對Unicode進行編碼。
  • windows中文系統默認使用GBK編碼，編程推薦使用UTF-8編碼。