计算机基础(一)

计算机基础(一)

计算机发展简介

• 第一个阶段 电子管计算机

  • 第二次世界大战是电子管计算机产生的催化剂
  • 埃尼阿克
    • 战争使用了飞机和火箭
    • 打的准则需要计算射击参数
    • 射击参数需要几千次运算才能计算出来
    • 18000多个电子管
    • 运行耗电量159千瓦
    • 重量达30吨,占地1500平方英尺
  • 集成度小,空间占用大
  • 功耗大,运算速度慢
  • 操作复杂,更换程序需要接线

• 第二个阶段:晶体管计算机

  • 贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管
  • 全世界第一台晶体管计算机tx-0
  • PDP-1,4k内存,每秒200,000指令,配备512*512的显示器
  • 集成度相对较高,空间占用相对小
  • 功耗相对较低,运行速度较快
  • 操作相对简单,交互更加方便

• 第三个阶段:集成电路计算机

  • 计算机变得更小
  • 功耗变得更低
  • 计算速度变得更快
  • IBM有两款计算机(7094,1401)
    • 主打功能不同
    • 相互无法兼容
    • 不愿意投入两组人力
    • 因此推出兼容产品System/360 --> 操作系统的雏形

• 超大规模集成电路计算机

  • 一个芯片集成上百万晶体管
  • 速度更快,体积更小,价格更低,更能被大众接受
  • 用途丰富:文本处理,表格处理,高交互的游戏与应用

• 未来的计算机

  • 生物计算机

    • 体积小,效率高
    • 不易损坏,生物级别的自我修复
    • 不受信号干扰,无热损耗

  • 量子计算机

    • 13年5月,谷歌和NASA发布D-Wave Two
    • 17年5月,中国科学院宣布制造出光量子计算机
    • 19年1月,IBM展示了世界首款商业化量子计算机
    • 腾讯在2017年组建了量子实验室
    • 阿里巴巴在2017年成立了达摩院

• 微型计算机的发展历史

  • 单核CPU

    • 1971-1973 500kHz频率的微型计算机(字长8位)
    • 1973-1978 高于1MHz频率的微型计算机(字长8位)
    • 1978-1985 500MHz频率的微型计算机(字长16位)
    • 1985-2000 高于1GHz频率的微型计算机(字长32位)
    • 2000-今 高于2GHz频率的微型计算机(字长为64位)

    摩尔定律:集成电路的性能,每18-24个月就会提升一倍

  • 多核CPU

    • 2005 Intel奔腾系列双核CPU AMD速龙系列
    • 2006 Intel酷睿四核CPU
    • Intel 酷睿系列十六核CPU
    • Intel 至强系列五十六核CPU

计算机的分类

• 超级计算机

  • 功能最强 运算速度最快 存储容量最大的计算机
  • 多用于国家高科技领域和尖端技术研究
  • 标记他们运算速度的单位是TFlop/s

  1TFlop/s=每秒一万亿万次浮点计算

  Intel(R) Core(TM) i7-6700k CPU @4.00GHz: 44.87GFlop/s

  44.87GFlop/s=0.04487TFlop/s

• 大型计算机

  • 大型主机
  • 高性能 处理大量数据与复杂运算
  • 在大型机市场领域,IBM占据着很大的份额cobol编程语言
  • 去"IOE"行动 I(IBM) O(Oracle) E(EMC),代表了高维护费用的存储系统
  • 不够灵活,伸缩性弱
  • 2009年成立阿里云

• 迷你计算机(服务器)

  • 也称为小型机,普通服务器
  • 不需要特殊的空调场所
  • 具备不错的算例,可以完成较复杂的运算

• 工作站

  • 高端的通用微型计算机,提供比个人计算机更强大的性能
  • 类似于普通台式电脑,体积较大,但性能强劲

• 微型计算机

  • 又称为个人计算机,是最普通的一类计算机(台式计算机 笔记本 一体机)

计算机的体系与结构

冯诺依曼体系

将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构

早期计算机仅含固定用途程序

改变程序得更改结构 重新设计电路

把程序存储起来并设计通用电路

• 必须有一个存储器
• 必须有一个控制器
• 必须有一个运算器
• 必须有输入设备
• 必须有输出设备

现代计算机都是冯诺依曼机

• 能够把需要的程序和数据送到计算机中
• 能够长期记忆程序、数据、中间结果以及最终运算结果的能力
• 能够具备算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力
• 能够按照要求将处理结果输出给用户

冯诺依曼瓶颈:CPU和存储器速率之间的问题无法调和

CPU经常空转等待数据传输

现代计算机的结构

• 现在计算机在冯诺依曼体系结构基础上进行修改
• 解决CPU与存储设备之间的性能差异问题

CPU以存储器为核心

计算机的层次与编程语言

• 程序翻译与程序解释
• 计算机的层次与编程语言

程序翻译与程序解释

人类语言 与 计算机语言 并不互通

需要进行语言之间的转换

较为高级的计算机语言L1

较为低级的计算机语言L0

高级语言----编译器---->低级语言(程序翻译)

高级语言----解释器---->低级语言(程序解释)

计算机执行的指令都是低级语言

翻译过程生成新的L0程序,解释过程不生成新的L0程序

解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序

程序翻译:C/C++ Object-C Golang

程序解释:Python Php JavaScript

翻译+解释:Java C#

计算机的层次与编程语言

应用层				`
高级语言层		 |
汇编语言层    | 虚拟机器
操作系统层    ,
传统机器层     |
微程序机器层   | 实际机器层
硬件逻辑层   ,

• 硬件逻辑层
  • 门,触发器等逻辑电路组成
  • 属于电子工程的领域
• 微程序机器层
  • 编程语言是微指令器

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