一文带你速通CPT101计算机系统概念（含笔记下载链接）

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正文

L1-计算机发展史

一、计算机类型（Types of Computers）

• 大型机Mainframe computers (1960s) • 巨型机Supercomputers (1970s) • 工作站Workstations (1980s)

• 微型机Microcomputers (1980s) • 个人电脑 Personal computers (1980s) • 微控制器 Microcontrollers (1980s) (嵌入式或专用计算机，如计算器) • 服务器 Servers (1980s) (通过network/cloud可用) • 单片机 Chip computer

随着计算机的发展，性能增长，体积减小(Increased performance & downsizing)。

二、计算机的四个世代（Computer Generations）

第一代：(1944 ~1958)电子管vacuum tube

第二代：(1959 ~1963)晶体管transistor

第三代：(1964 ~ 1970)集成电路IC(integrated circuit)

第四代：(1971 ~ now) 超大规模集成电路VLSI(Very Large Scale Integration)

三、五种计算机硬件（Hardware）

Input-输入，processing-处理，output-输出，storage-储存，communications-通信

四、计算机软件（Software）

系统软件：与硬件交互（communication），资源管理，便于应用程序之间通信(facilitates communication)

应用软件（Applications software）：便利/辅助用户

五、向后兼容(Backward / Downward Compatibility)

新的版本的软/硬件可以使用老版本的软/硬件产生的数据。

六、VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)硬件描述语言-集成电路设计

七、计算机系统层次结构（hierarchy of systems）

Hardware (CPU, Graphics, Sound)>Software [Operating Systems (O/S kernel, Win32 API)> User code (e.g. myPrograme.c)]

操作系统的优势：硬件系统的功能由OS提供给用户，用户也以此交互硬件。易于编程，保护系统与其他用户，提高系统资源使用的效率与公平性。

八、摩尔定律（Moore's Law）

The amount of circuitry (number of transistors) which can be placed on a given chip area approximately doubles every two years. ->A circuit designed 24 months ago can now be shrunk to fit into an area of half the size.

可以放置在给定芯片区域上的电路数量(晶体管数量)大约每两年翻一番

九、软硬件交互发展

1.Windowing interfaces –WIMPs. 视窗-Window、图标-Icon、菜单-Menu、鼠标-Pointing device

2. Internet-Netscape网景浏览器

L2-计算机架构

〇、以下两种架构的基本组件：

硬件(CPU(Central Processing Unit), memory, secondary storage(hard disk, CDs), keyboard, screen)，软件，数据（Data that is being manipulated）

一、机器指令 (Machine instructions)

CPU执行机器指令, 每个CPU都有自己的指令集(instruction set)，通常为100-200条指令，没有标准指令集。

分类：

• Input-output: IN, OUT

• Data transfer and manipulations: MOV, ADD, MUL, AND, OR

• Transfer of program control: JMP, JC,

• Machine control: can halt processing, reset the hardware, INT, HLT

二、HLL高级编程语言(High Level Programming Language)( : FORTRAN, C, C++, Java, Perl…)

比机器指令更适合编程，但程序仍需翻译为机器代码(硬件只能处理机器指令)。

三、输入-处理-输出模型(Input-Process-Output Model)

是冯诺依曼模型的基本方案(essential scheme)

处理过程由一个特殊的、定制的程序控制。The process is to be controlled by a special, custom-made program.

四、冯·诺依曼模型(The von Neumann Model)

general-purpose machine controlled by an executable program

(late 1940s)

程序-a list of instructions used to direct a task.

处理器-an active part that executes the program instructions.

数据和指令都存储在内存中不同的区域，将某个内存地址开始的字节全部当作指令，将某个内存地址开始的字节全部当作数据。(使计算机可以区分数据和指令)

冯诺依曼瓶颈：CPU速度快，内存速度慢，CPU大部分时间需要等待数据和指令从内存读出/写入

五、哈佛架构(Harvard architecture)

Program Memory <->CPU<-> Data Memory（速度快高吞吐-嵌入式/CPU内）

程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，当取指使用程序空间，执指使用数据空间时，可以同时处理。

L3-编译原理(Fundamentals of Compiling)

一、语义鸿沟(Semantic gap)

自然语言与电脑指令处理数据方式的巨大差异。

二、三种翻译方式(translation)

1. 编译器 (Compilers): 在运行前将高级语言编写的源程序翻译成机器语言(sequence of instructions)。

2. 汇编器 (Assemblers): 将汇编语言(助记符如MOV等)编写的源程序翻译成二进制代码。

3. 解释器 (Interpreters): 在运行时转换高级语言的源程序为机器码，不生成目标文件（on-the-fly）。

三、编译(Compiling)*

-[编辑]>源文件(HLL source file) –[编译]>二进制文件(Binary object file+ Library File) –[link]>可执行文件(Executable file)-[加载Load]>加载(时报错)       └编译时报错（根据错误信息在源文件中修改）   └连接时报错

四、连接(Linking)

编译器无法解析对其他模块的引用，连接器将所有二进制部分连接，找不到引用则报错。

五、库文件(library file .dll)仅当被使用时加入程序，为程序提供许多功能

六、解释器(interpreters) 接受指令，一次一个，翻译和执行交错进行。

C源代码→编译器（程序）→汇编语言→汇编器→机器码→linking & loading→可执行文件

Java源代码→编译器→Java字节码byte code→Java解释器（JVM虚拟机）

七、代码共享和重用(Code sharing and reuse) 源文件(Edit)->Compile(macros)->link(Obj libraries)->Build(Dyna libs)