计算机组成原理

此系列为王道计算机考研组成原理精细笔记

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前言

  我们现在都在使用电脑手机这些东西。这些都属于计算机的范畴，计算机的最底层是由一些硬件组成的，在硬件之上，我们会加设操作系统，在操作系统之上我们安装一些软件（属于数据结构），再通过计算机网络实现所有计算机之间的互联互通。这就是我们现在生活的信息化世界。

CPU，针脚用来传递数据

  计算机是用来存储数据和处理数据用的，例如我们拍了一张照片，这张照片的数据我们希望用计算机将其保存，然后进行处理，就比如我们使用美图秀秀进行一顿骚操作之后，这个过程就是计算机对我们照片的数据进行运算和处理的过程，而计算机所处理的数据都是一些0101的数据。如图所示：

  我们知道了计算机只能识别0/1，这时我们应该去思考计算机是怎么去区分0和1的呢？答：我们可以分别用两种电信号，低电平和高电平进行表示0/1，那么问题又来了，什么是高电平什么是低电平呢？电压比较低的情况视为低电平0，电压比较高德情况视为高电平1。

  本质上，我们在计算机内部传递信息就是通过电信号进行传递的。而我们之前所看到硬件的针脚就是用来传递电信号的，也就是用来发送和接受二进制数的一些通道。

  那么，硬件与硬件之间是怎么交换他们的二进制数的呢？   如图，它们是通过印刷电路板上一条一条的线来

  了解了这些，就引发了下列问题，而计组这门课就能够带我们去解决这些问题。

一、计算机系统的概述

  通常，学习计组时，我们会问什么是计算机系统？

我们给出的回答是：   计算机=硬件（计算机实体如主机外设等）+软件（操作系统，应用程序）硬件是计算机的物理基础，它决定计算机性能的天花板，软件决定我们可以将硬件的性能发挥到什么程度。计算机性能的好坏取决于软件+硬件功能的总和。

特别的，我们需要了解： 软件有分为：系统软件和应用软件。 标准程序库：我们编程时会使用的那些库函数。 网络软件：实现TCP/IP协议的那些网络模块。 语言处理程序：编译程序、汇编程序（将高级语言翻译为机器语言）。 服务程序：调试代码的调试程序。

二、计算机发展简史

第一代-电子管

  世界上第一台电子数字计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学制成的。

  这台计算机采用了电子管作为它的逻辑元件，什么是逻辑元件呢？前面说过计算机在进行数字计算的时候就是在处理一些电信号，所谓逻辑元件就是用来处理这些电信号的最小基本单元。

  以ENIAC为代表的这一代计算机，我们将其称为电子管时代，原因就是这一代的计算机使用电子管作为逻辑元件，这一时代，程序员都是使用机器语言进行编程的，计算机只能识别0101这样的二进制原因，程序员当时就是在纸带上打孔，有孔的地方表示二进制的0没有孔的地方表示二进制的1，如果在你写程序的时候，纸带上有一只死掉的小虫子，那么死掉小虫子的那一块地方就会出现错误，纸带机无法读取，这也是我们为什么要将程序的漏洞称为bug的原因，因为bug本来表示的就是小虫子，所以我们现在依旧成程序的漏洞为bug。

第二代-晶体管

  后来一个著名的实验室-贝尔实验室发明了晶体管，而每个晶体管的大小要比电子管要小的多，所以用晶体管替代电子管作为逻辑元件可以使计算机的体积得到大幅的降低，我们也能够使用晶体管设计更复杂的电路，这使得计算机的速度也大幅度提升，这时候也出现了如FORTRAN这样的高级编程语言，也逐渐出现了操作系统。

  制造一台计算机需要几万到几十万个晶体管，需要将这些晶体管用手工焊接的方式将其焊到电路板上，几十万个晶体管就会有几百万个焊点，这个时候的计算机硬件还是非常不可靠的，因为只要一个焊点出现问题整个计算机都无法工作。

第三代-中小规模集成电路

  后来有人发明了集成电路，计算机也由此进入第三个时代-中小规模集成电路时代，就是将一个一个的逻辑元件集成到一个基片上，采用集成电路的工艺使我们的计算机变得越来越小，功耗也更低，这种集成电路要比晶体管手动焊接的电路可靠性要高得多，这时候各种高级编程语言开始高速发展，开始有了分时操作系统，这时候的计算机主要还是用于科学计算等专业用途。

第四代-大规模、超大规模集成电路

  随着集成电路工艺的不断提升，慢慢的进入了第四代-大规模和超大规模集成电路计算机，开始出现微处理器、微型计算机，微处理器简单理解就是CPU,如最近苹果A13制造工艺：7nm,也就是说在这个微处理器上，每个元件的宽度不超过7nm，这样一个CPU里面拥有85亿个晶体管。

  总之芯片技术的进步导致微处理器的诞生，导致很多微型计算机的诞生，之后微型计算机逐渐步入每一个人的生活，同时这个时候也逐渐诞生一些我们耳熟能详的计算机操作系统：Windows、MacOS、Linux等 提到微处理器的发展我们不得不提到Intel,如下图：

其中机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数

硬件的发展

  为了解计算机的发展，我们不得不去了解这样一段历史，如下图：

  摩尔不仅创建了Intel还提出了摩尔定律：   摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容乃的晶体管数目，约每隔18个月会增加一倍，性能也将提升一倍。也就是说，我们现在和18个月花同样的钱买到的CPU，后者的性能是前者的两倍。这一定律揭示了信息时技术进步的速度。

软件的发展

  先看编程语言，因为所有软件都是用编程语言编写出来的，所有编程语言的发展直接决定了我们软件世界有多丰富，计算进发展初期，一开始是用机器语言，后来发明了汇编语言，这两种语言本质上是一样的，只不过是汇编语言会将机器语言转换成人类更方便记忆的一些符号，后面我们再进行探索。这也注定这个阶段软件不可能多，不可能很丰富，后来为了使编程更加方便就出现了高级编程语言，总之编程语言就是用来制造软件的。编程语言是否好用是否丰富也直接决定了我们软件是否丰富。

  而随着编程语言的不断发展，我们的操作系统也不断发展：

  然而，现在计算机存在着两极分化：

小结

总结：计算机的五代变化 第一代：1946-1957年，电子管计算机 第二代：1958-1964年，晶体管计算机 第三代：1965-1971年，中小规模集成电路计算机 第四代：1972-1990年，大规模和超大规模集成电路计算机 第五代：1991年开始的巨大规模集成电路计算机

总结

下一节是计算机硬件的基本组成，期待大家和我交流，留言或者私信，一起学习，一起进步！