计算机组成原理-概述篇
发展简史
计算机发展的四个阶段
第一个阶段1946-1957年 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
- 英国为了解密德国海军的密文
- 埃尼阿克ENIAC
- 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起来
- 18000多个电子管
- 运行耗电量150千瓦
- 重量达30吨，占地1500平方英尺
- 不足：
- 集成度小，空间占用大
- 功耗高，运行速度慢
- 操作复杂，更换程序需要接线
第二个阶段1957-1964年 晶体管计算机
贝尔实验室的三个科学家发明晶体管（跨时代的）
- 全世界第一台晶体管计算机TX-0 诞生于林肯实验室
- 全世界第一台晶体管计算机PDP-1 4k内存，每秒20 000指令 ，配备512x512的显示器
优势：
- 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（一个科学家就能操作），交互更加方便（显示器）
第三个阶段1964-1980年 集成电路计算机
背景
德州仪器的工程师发明了集成电路（IC)
- 计算机变得更小
- 功耗变得更低
- 计算速度变得更快
上述条件让计算机走入了寻常百姓家
第四个阶段1980-现在 超大规模集成电路计算机
- 一个芯片集成了上百万的晶体管
- 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
- 乔布斯的Apple和Apple二代
第五个阶段：未来计算机
以蛋白质分子作为主要原材料
生物计算机
- 体积小，效率高
- 不易损坏，生物级别的自动修复
- 不受信号干扰，无热损耗
量子计算机
- 2013.5 谷歌和NASA发布了D-Wave Two
- 2017.5 中国科学院宣布制造出光学量子计算机
- 2019.1 IBM展示了世界首款商业化量子计算机
- 腾讯在2017组建了量子实验室
- 阿里在2017年成立了达摩院
微型计算机(PC)的发展
受限于性能
- 单核cpu
- 1971->1973 500KHz频率的微型计算机（字长8位）
- ->1978 高于1MHz频率（字长8位）
- ->1985 500MHz频率（字长8位）
- ->2000 高于1GHz频率（字长32位）
- ->现在 2GHz频率（字长64位）
摩尔（intel 创始人）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16核cpu
- intel至强系列56核cpu
分类
超级计算机
- 功能强大、运算速度快速，存储容量大的计算机
- 多用于国家高科技领域和尖端技术研究
- 标识他们运算速度的单位是TFlop/s
- 1TFlop/s=每秒一万亿次浮点计算
大型计算机
IBM Z9
- 又称大型机、大型主机、主机
- 具有高性能、可处理大量数据与复杂的运算
- 在大型机市场领域，IBM占领着很大的份额
迷你计算机 （普通服务器）
工作站
微型计算机
个人计算机，是最普通的一类计算机
体系结构
冯洛伊曼体系
概念
将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构
诞生背景
结构
- 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
现代计算机都是冯洛伊曼机
作用
- 能够把需要的程序和数据送至计算机中
- 能够长期记忆程序、数据、中间结果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
早期冯洛伊曼机示意图
缺点
- 将cpu和存储器分开，不是一个好的选择，会导致CPU和存储器速率之间的问题无法调和（cpu速度是非常快的，但是存储器读取速度相对而言较慢）
现在计算机的结构
概念
本质上还是冯洛伊曼体系中的计算机，但是在其体系结构上做了一些修改，将存储器放在了CPU内部
存储器指的是高速缓存L1、L2、L3、寄存器（通用寄存器、特殊寄存器、指令寄存器）