计算机组成原理（一）

计算机组成原理（一）

计算机的发展历程

• 电子管计算机
• 晶体管计算机
• 集成电路计算机
  • 集成电路是把电路元件集成在一个指甲盖大小的硅片上
  • 集成电路的电路元件有的是晶体管，有的是光刻电路
  • 半导体就是导电性介于导体和绝缘体之间，在其参杂入不同的杂质时，导电性也会发生相应的变化。可以在同一个硅平面内不同区域掺杂不同杂质，以获得不同的电性，组成相应的电子元件。
• 超大规模集成电路计算机（当下计算机）
• 量子计算机、生物计算机（未来的发展）

集成电路和芯片的区别？

芯片是集成电路的一种载体

拓展阅读

半导体、晶圆、光刻、芯片、集成电路全看懂

冯诺依曼体系

指令和数据存储到同一块内存中，存储程序指令，设计通用电路

任何数据必须加载到内存才能和CPU进行交互，如Java的字节码文件就必须使用ClassLoader加载到内存中，才能与CPU交互

五大组成：输入设配，存储器，控制器，运算器，输出设配

冯诺依曼体系：以**CPU**为核心

改进的冯诺依曼体系：以存储器为核心

冯诺依曼瓶颈：CPU和存储器速率不匹配

哈佛结构

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。

冯▪诺依曼结构主要应用于通用计算机领域。
哈佛结构主要应用于嵌入式计算机中。

现代的CPU（准确说叫SoC[系统芯片]）基本都不是纯粹的哈佛结构或冯诺依曼机构，而都是混合结构的，例如很多高级ARM芯片已经采用哈佛结构和冯诺依曼结构的结合

编译执行和解释执行

编译型语言：编译器，C/C++, Golang
解释型语言：解析器，Python, JavaScript, PHP
编译+解释：Java、C#
Python 之所以称为解释型语言，是因为它没有显示的调用编译操作（实际会编译成pyc后缀的字节码文件），
表现出解释型的特性比较多而已。但事实上，编译是存在的，具体怎么编译就看语言的实现了，也就是解释器的设计

区分是编译还是解析执行的意义并不大，而且要关注程序是如何运行的

计算机的层次结构

硬件逻辑层        门电路、触发器等、深入学习可以看数字逻辑
微程序机器层      编程语言是微指令集，微指令所组成的微指令直接交由硬件执行
传统机器层		 CPU指令集（机器指令，与硬件直接相关，如Intel和AMD的CPU指令集就不同）
操作系统层        硬件和软件的适配层，所以操作系统大都可以兼容不同的CPU指令集（Linux兼容性比Windows好）
汇编语言层        人类可读的语言，如PUSH，MOV等指令
高级语言层        如C/C++, Java等

1条机器指令对应1个微程序，1个微程序对应一组微指令

计算机的度量单位

计算机只能识别0或1，这句话是。晶体管识别有无电流通过对应2进制，当然也可以根据电流的强弱对应其他进制
理论上3进制是最高效的进制（更加接近e），可以参考为什么进制接近e最有效率
使用2进制是因为2进制有布尔代数这个基础，而且电路设计简单
详见Crash Course Computer Science(p3-01:20)

容量单位

单位	比例($1B=8b$, $1KB=1024MB$)
bit	1
Byte	8
KB	$2^{10}$
MB	$2^{10}$
GB	$2^{10}$
TB	$2^{10}$
PB	$2^{10}$
EB	$2^{10}$

硬盘厂家通常是按照$1GB=1000MB$进行换算，所以硬盘容量常常缩水
硬盘实际容量计算公式，$500GB=500\ast \frac{1000}{1024}=488.28125GB$

国际单位制中TB、GB、MB、KB是1000进制的计数单位（但是计算机中还是$1GB=1024MB$）
为此国际电工协会（IEC）拟定了"KiB"、“MiB”、“GiB"的二进制单位

参考：百度百科—硬盘容量

速度单位

网速

$10M/s=10Mbps=10Mbit/s$
$10Mbit/s=1.25MB/s$
所以10兆光纤实际速度最多只有1.25MB

CPU时钟频率

Hz，秒分之一，每秒重复次数的计量，如蜜蜂翅膀的震动频率大约为400Hz，
人能听见的声音频率是20~20000Hz，蝴蝶的震动频率大约为15Hz，所以人耳听不见
$2GHz=2\ast 1000^{3}Hz$ 每秒20亿次​

字符编码

数字和字符的对应关系

ASCII码及其扩展

刚开始只有7bit有对应字符，其他位置都空着，后来加上了数学符号、其他欧洲国家的语言符号以及其他常用的符号

由于大部分字符编码都向下兼容ASCII码（UFT-16好像不兼容），所以如果一个只有ASCII码的文件是不可能存在乱码的，这也是路径、文件尽量选择不带中文的原因（当然，最好不要有空格，因为Linux路径约定中建议避免使用空格、中文）

ASCII表及其扩展在线查询

GB2312和GBK

• GB2312：又叫国标2312，收录了常见的中文字符
• GBK：向下兼容GB2312，收录了中日韩文字

Unicode和UTF-8

• Unicode：Unicode只规定了字符和数字的对应关系，UTF-8和UTF-16等实现了存储方式
  • UTF-8 可变长。它可以使用 1 - 4 个字节表示一个字符，根据字符的不同变换长度，兼容ASCII码

扩展阅读

CPU做一个超强单核不行吗？技术可以实现吗？

从冯·诺依曼瓶颈谈起