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计算机相关

计算机组成

计算机四次变化

1946年世界第一台电子数字计算机（ENIAC）——电子管时代（1946年~1957年）

1958~1964年第二代计算机诞生，计算机软件也得到了发展，开始出现高级语言以及编译程序，有了操作系统的雏形——晶体管时代

1965~1971年第三代计算机，半导体取代磁芯存储器，高级语言和操作系统迅速发展，开始了分时操作系统——中小型规模集成电路时代

1972~至今第四代计算机，采用大规模集成电路和超大规模集成电路，微处理器、并行、高速缓存和虚拟存储等概念出现——超大规模集成电路时代

计算机云件更新换代规律

摩尔定律——更新硬件速度迅速

半导体存储器的发展——美国仙童公司经历了11次迭代的半导体存储器

微处理器的发展——intel公司开发的微处理器到如今

计算机系统层次结构

系统的基本组成

冯诺依曼机基本思想

基本工作方式为控制流驱动方式

采用”存储程序”的工作方式
定义计算机基本结构运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上无区别，但计算机能区分
指令和数据均用二进制代码表示
指令用操作码和地址码组成，操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址

基本思想：将事先编制好的程序和原始数据送入主存储器后才能执行，一旦程序被执行，就无须操作人员干预，计算机自动逐条执行指令，直致程序执行结束。

硬件结构

CPU部分

存储数据字节(Byte) 1字节=8位（bit）一个字节对应一个内存地址内存地址从0开始，自增排列、最后一位为内存总字节节数-1。

32位CPU一次可以计算4个字节
64位CPU一次可以计算8个字节

8位CPU 只能一次计算一个字节0~255范围内的数值，说明CPU位宽越大，计算的数值越大。

MAR（存储器地址寄存器）和MDR（存储器数据寄存器）

CPU中的寄存器主要作用存储计算时的数据。

运算器

PSW 状态寄存器
算术逻辑单元
- ACC（）累计器
- MQ（）乘商寄存器
- X（）操作数寄存器
移位器
通用寄存器

控制器

PC（Program-Register）程序寄存器
IR（Instruction-Register）指令寄存器
CU（Control-Unit）控制单元

当CPU要读写内存数据的时候、一般需要通过下面这三个总线：

首先通过地址总线来指定内存的地址（地址）
再通过控制总线控制是读或写命令（控制）
最后通过数据总线来传输数据（数据）

输入与输出设备常见的为键盘和鼠标

线路位宽与CPU位宽

数据通过线路传输是通过操作电压。利用高低电压构成信号，0表示低电压、1表示高电压

如果CPU想要操作4G大的内存、那么就需要32条地址总线 2^32（地址总线）=4G（内存总线）

CPU的位宽最好不要小于线路位宽

只有当计算超过32位数字的情况下、64位的优势才能体现出来

程序执行的基本过程

第一步 CPU读取程序计数器中的值，这个值指的是内存地址，然后CPU的控制单元操作地址总线指定需要访问的内存地址，之后通知内存设备准备数据，准备好后通过数据总线将指令数据穿给CPU，CPU收到内存传来的数据后，将这个指令数据存入指令寄存器。
第二步 程序计数器的值自增，表示指向下一条指令，自增大小根据CPU位宽决定。（32位CPU，它的指令是4个字节，需要4个内存地址存放，程序计数器自增的值为4）
第三步 CPU分析指令寄存器中的指令，确定指令的类型和参数，如果是计算类型，就把指令交给逻辑运算单元；如果是存储类型，就交给控制单元。

存储器部分

存储器的层次结构 CPU(寄存器(处理中)、L1Cache(短期)、L2Cache/L3Cache(长期))、内存、SSD/HDD硬盘

主存储器（寄存器）

CPU Cache （SRAM Static Random-Access Memory 静态随机存储器）

内存（DRAM Dynamic Random-Access Memory 动态随机存储器）

虚拟寄存器

软件部分

分为系统软件（OS、DBMS）和应用软件（用户解决某个领域中问题而编制的软件）

三个级别的语言

机器语言（计算机能直接识别和执行的语言）
汇编语言（用于人们便于记忆和理解的英文单词、缩写的二进制指令代码，必须经过系统软件的翻译，转换为机器语言程序，才能在计算器上执行）
高级语言（方便程序开发人员解决问题和解题过程的程序，需要经过编译成汇编语言程序、再汇编操作得到机器语言程序，或高级语言直接翻译成机器语言）

翻译程序

汇编程序
解释程序
编译程序

数据的表示和运算

二、八、十位进制互相转换

定点数的编码表示

真值和机器数 —— +/-表示真值、0/1分别表示正负；也就是机器码
机器数的定位表示
- 补码整数表示整数
- 原码小数表示浮点数后的尾数部分
- 移码表示浮点数的阶码部分

指令

机器指令是指示某种操作的命令。

一台计算机中的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。

指令系统是指令集体系结构（ISA）中的核心部分。

指令基本格式

操作码字段和地址码字段

CISC和RISC两种指令系统

总线

总线是一组能为多个部件分时和共享的公告信息传送线路。分时和共享是总线的两个特点