計(jì)算機(jī)組成原理

此系列為王道計(jì)算機(jī)考研組成原理精細(xì)筆記

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計(jì)算機(jī)組成原理-第一章（1）-概述

• 計(jì)算機(jī)組成原理
• 前言
• 一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概述
• 二、計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史
• • 第一代-電子管
  • 第二代-晶體管
  • 第三代-中小規(guī)模集成電路
  • 第四代-大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路
  • 硬件的發(fā)展
  • 軟件的發(fā)展
  • 小結(jié)
• 總結(jié)

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前言

??我們現(xiàn)在都在使用電腦手機(jī)這些東西。這些都屬于計(jì)算機(jī)的范疇，計(jì)算機(jī)的最底層是由一些硬件組成的，在硬件之上，我們會(huì)加設(shè)操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)之上我們安裝一些軟件（屬于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），再通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)所有計(jì)算機(jī)之間的互聯(lián)互通。這就是我們現(xiàn)在生活的信息化世界。

CPU，針腳用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)


??計(jì)算機(jī)是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)用的，例如我們拍了一張照片，這張照片的數(shù)據(jù)我們希望用計(jì)算機(jī)將其保存，然后進(jìn)行處理，就比如我們使用美圖秀秀進(jìn)行一頓騷操作之后，這個(gè)過(guò)程就是計(jì)算機(jī)對(duì)我們照片的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理的過(guò)程，而計(jì)算機(jī)所處理的數(shù)據(jù)都是一些0101的數(shù)據(jù)。如圖所示：

??我們知道了計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0/1，這時(shí)我們應(yīng)該去思考計(jì)算機(jī)是怎么去區(qū)分0和1的呢？答：我們可以分別用兩種電信號(hào)，低電平和高電平進(jìn)行表示0/1，那么問(wèn)題又來(lái)了，什么是高電平什么是低電平呢？電壓比較低的情況視為低電平0，電壓比較高德情況視為高電平1。

??本質(zhì)上，我們?cè)谟?jì)算機(jī)內(nèi)部傳遞信息就是通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行傳遞的。而我們之前所看到硬件的針腳就是用來(lái)傳遞電信號(hào)的，也就是用來(lái)發(fā)送和接受二進(jìn)制數(shù)的一些通道。

??那么，硬件與硬件之間是怎么交換他們的二進(jìn)制數(shù)的呢？
??如圖，它們是通過(guò)印刷電路板上一條一條的線來(lái)

??了解了這些，就引發(fā)了下列問(wèn)題，而計(jì)組這門課就能夠帶我們?nèi)ソ鉀Q這些問(wèn)題。

一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概述

??通常，學(xué)習(xí)計(jì)組時(shí)，我們會(huì)問(wèn)什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)？

我們給出的回答是：
??計(jì)算機(jī)=硬件（計(jì)算機(jī)實(shí)體如主機(jī)外設(shè)等）+軟件（操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序）硬件是計(jì)算機(jī)的物理基礎(chǔ)，它決定計(jì)算機(jī)性能的天花板，軟件決定我們可以將硬件的性能發(fā)揮到什么程度。計(jì)算機(jī)性能的好壞取決于軟件+硬件功能的總和。

特別的，我們需要了解：
軟件有分為：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。
標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)：我們編程時(shí)會(huì)使用的那些庫(kù)函數(shù)。
網(wǎng)絡(luò)軟件：實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的那些網(wǎng)絡(luò)模塊。
語(yǔ)言處理程序：編譯程序、匯編程序（將高級(jí)語(yǔ)言翻譯為機(jī)器語(yǔ)言）。
服務(wù)程序：調(diào)試代碼的調(diào)試程序。

二、計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史

第一代-電子管

??世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是1946年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)制成的。

??這臺(tái)計(jì)算機(jī)采用了電子管作為它的邏輯元件，什么是邏輯元件呢？前面說(shuō)過(guò)計(jì)算機(jī)在進(jìn)行數(shù)字計(jì)算的時(shí)候就是在處理一些電信號(hào)，所謂邏輯元件就是用來(lái)處理這些電信號(hào)的最小基本單元。

??以ENIAC為代表的這一代計(jì)算機(jī)，我們將其稱為電子管時(shí)代，原因就是這一代的計(jì)算機(jī)使用電子管作為邏輯元件，這一時(shí)代，程序員都是使用機(jī)器語(yǔ)言進(jìn)行編程的，計(jì)算機(jī)只能識(shí)別0101這樣的二進(jìn)制原因，程序員當(dāng)時(shí)就是在紙帶上打孔，有孔的地方表示二進(jìn)制的0沒(méi)有孔的地方表示二進(jìn)制的1，如果在你寫程序的時(shí)候，紙帶上有一只死掉的小蟲子，那么死掉小蟲子的那一塊地方就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，紙帶機(jī)無(wú)法讀取，這也是我們?yōu)槭裁匆獙⒊绦虻穆┒捶Q為bug的原因，因?yàn)閎ug本來(lái)表示的就是小蟲子，所以我們現(xiàn)在依舊成程序的漏洞為bug。

第二代-晶體管

??后來(lái)一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)室-貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，而每個(gè)晶體管的大小要比電子管要小的多，所以用晶體管替代電子管作為邏輯元件可以使計(jì)算機(jī)的體積得到大幅的降低，我們也能夠使用晶體管設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路，這使得計(jì)算機(jī)的速度也大幅度提升，這時(shí)候也出現(xiàn)了如FORTRAN這樣的高級(jí)編程語(yǔ)言，也逐漸出現(xiàn)了操作系統(tǒng)。

??制造一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)個(gè)晶體管，需要將這些晶體管用手工焊接的方式將其焊到電路板上，幾十萬(wàn)個(gè)晶體管就會(huì)有幾百萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候的計(jì)算機(jī)硬件還是非常不可靠的，因?yàn)橹灰粋€(gè)焊點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題整個(gè)計(jì)算機(jī)都無(wú)法工作。

第三代-中小規(guī)模集成電路

??后來(lái)有人發(fā)明了集成電路，計(jì)算機(jī)也由此進(jìn)入第三個(gè)時(shí)代-中小規(guī)模集成電路時(shí)代，就是將一個(gè)一個(gè)的邏輯元件集成到一個(gè)基片上，采用集成電路的工藝使我們的計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越小，功耗也更低，這種集成電路要比晶體管手動(dòng)焊接的電路可靠性要高得多，這時(shí)候各種高級(jí)編程語(yǔ)言開(kāi)始高速發(fā)展，開(kāi)始有了分時(shí)操作系統(tǒng)，這時(shí)候的計(jì)算機(jī)主要還是用于科學(xué)計(jì)算等專業(yè)用途。

第四代-大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路

??隨著集成電路工藝的不斷提升，慢慢的進(jìn)入了第四代-大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，開(kāi)始出現(xiàn)微處理器、微型計(jì)算機(jī)，微處理器簡(jiǎn)單理解就是CPU,如最近蘋果A13制造工藝：7nm,也就是說(shuō)在這個(gè)微處理器上，每個(gè)元件的寬度不超過(guò)7nm，這樣一個(gè)CPU里面擁有85億個(gè)晶體管。

??總之芯片技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致微處理器的誕生，導(dǎo)致很多微型計(jì)算機(jī)的誕生，之后微型計(jì)算機(jī)逐漸步入每一個(gè)人的生活，同時(shí)這個(gè)時(shí)候也逐漸誕生一些我們耳熟能詳?shù)挠?jì)算機(jī)操作系統(tǒng)：Windows、MacOS、Linux等
提到微處理器的發(fā)展我們不得不提到Intel,如下圖：

其中機(jī)器字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)一次整數(shù)運(yùn)算所能處理的二進(jìn)制位數(shù)

硬件的發(fā)展

??為了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展，我們不得不去了解這樣一段歷史，如下圖：

??摩爾不僅創(chuàng)建了Intel還提出了摩爾定律：
??摩爾定律：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容乃的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。也就是說(shuō)，我們現(xiàn)在和18個(gè)月花同樣的錢買到的CPU，后者的性能是前者的兩倍。這一定律揭示了信息時(shí)技術(shù)進(jìn)步的速度。

軟件的發(fā)展

??先看編程語(yǔ)言，因?yàn)樗熊浖际怯镁幊陶Z(yǔ)言編寫出來(lái)的，所有編程語(yǔ)言的發(fā)展直接決定了我們軟件世界有多豐富，計(jì)算進(jìn)發(fā)展初期，一開(kāi)始是用機(jī)器語(yǔ)言，后來(lái)發(fā)明了匯編語(yǔ)言，這兩種語(yǔ)言本質(zhì)上是一樣的，只不過(guò)是匯編語(yǔ)言會(huì)將機(jī)器語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成人類更方便記憶的一些符號(hào)，后面我們?cè)龠M(jìn)行探索。這也注定這個(gè)階段軟件不可能多，不可能很豐富，后來(lái)為了使編程更加方便就出現(xiàn)了高級(jí)編程語(yǔ)言，總之編程語(yǔ)言就是用來(lái)制造軟件的。編程語(yǔ)言是否好用是否豐富也直接決定了我們軟件是否豐富。

??而隨著編程語(yǔ)言的不斷發(fā)展，我們的操作系統(tǒng)也不斷發(fā)展：

??然而，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)存在著兩極分化：

小結(jié)

總結(jié)：計(jì)算機(jī)的五代變化
第一代：1946-1957年，電子管計(jì)算機(jī)
第二代：1958-1964年，晶體管計(jì)算機(jī)
第三代：1965-1971年，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)
第四代：1972-1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)
第五代：1991年開(kāi)始的巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

總結(jié)

下一節(jié)是計(jì)算機(jī)硬件的基本組成，期待大家和我交流，留言或者私信，一起學(xué)習(xí)，一起進(jìn)步！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机组成原理-第一章（1）-概述的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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