自学笔记
计算机的发展历程
计算机系统构成
- 用户
- 应用程序
- 操作系统OS
- 硬件（裸机）
系统软件安装在硬件上
应用程序安装在系统上
只有硬件的就是裸机
应用程序和操作系统统称软件，
系统软件：
- 操作系统
- 语言处理程序：C语言等之类代码的编译，高级语言转为低级语言
- 数据库管理系统
- 分布式软件系统：多设备使用，同时连接多个键盘进行控制
- 网络软件系统
- 各种服务软件：属于操作系统的一部分
硬件软件的发展
硬件发展：
电子管时代：1946-1959
晶体管时代：1959-1964
中小规模集成电路时代：1964-1975
超大规模集成电路时代：1975-1990
超级规模集成电路时代：1990-现在
随着半导体材料和工艺的发展不断发展
软件发展：
汇编语言阶段：20世纪50年代
汇编语言不是机器语言——二进制，计算机唯一能够识别的，人类不好分辨，对他进行封装，形成汇编语言
程序批处理阶段：20世纪60年代
操作系统的雏形
分时多用户阶段：20世纪70年代
给不同用户用一定时间
分布式管理阶段：20世纪80年代
软件重用阶段：20世纪90年代
代码复用的思想，面向对象
Web服务阶段：21世纪初至今
之前将单台计算机视为服务器，在拆分后，多台计算机提供不同服务，合起来又是大型服务
电子计算机的分类
处理信号不同
- 模拟计算机：模拟信号，连续的，电磁波容易受到干扰
- 数字计算机：数字信号，离散的
用途不同：
专用计算机：完成特定功能
路由器、交换机
通用计算机：能完成很多很多
巨型机、大型机：科学计算
中型机、小型机：服务器
微机：个人使用，PC机
单片机：工厂自动化流程控制
计算机系统的结构
计算机硬件的基本组成
- 输入设备
- 输出设备
- 存储器
- 运算器
- 控制器
依靠总线相互连接
输入输出设备称为IO设备：相对于CPU/主机，来看输入输出
控制器和运算器合起来称为CPU
存储器
包含：
主存：内存，内存条
辅存：外存，硬盘，光盘，U盘等等
以主存为例
存储单元放置二进制位，是字节的倍数
存储字的长度简称存储字长
前方编号，当前存储单元的地址，有多少地址乘以字长，就有多少个比特位，除以8得到字节
地址寄存器：MAR，存储地址
数据寄存器：MDR，存储数据
寄存器放置的数据很小，一般和CPU相当
时序控制器：控制不同操作的先后顺序，发送相关指令，读或者写
时序控制器，按照地址寻找，走地址总线，到存储体，存储体接收时序控制器的信号，读或写，放到数据寄存器。
存储体容量=2^MAR位数*存储字长bit
运算器
ALU：进行核心运算
GPRs通用寄存器组：临时存储
控制器
控制单元CU：分析指令，给出控制信号
程序计数器PC：寄存器，存放下一条指令地址，+1
指令寄存器IR：存放当前指令
冯·诺依曼计算机结构
入/出/存/算/控
采用二进制表示数据和指令
以同等地位在存储器中，按地址寻访
指令有操作码和地址码组成，构成一个二进制码
指令按顺序存放和执行，也可改变指令顺序
采用存储程序方式
事先编制好程序，并与所需数据预先存入主存，控制器自动地、连续地从存储器取出指令并执行
主要以运算器为核心
控制器发起，控制器操作
现代计算机组织结构
- 入/出/存/算/控
- 采用二进制表示数据和指令
- 采用存储程序方式
- CPU：运算器与控制器合并到微处理器
- 以存储器为核心，IO设备尽可能绕过CPU
现代计算机运算器不再是性能瓶颈
输入输出将信息存储到存储器，CPU直接从内存中读取，减少IO设备和CPU的交互
计算机的工作过程
程序如何运行？
从源文件到可执行文件
预处理阶段
高级语言：C/C++、Java、GO
删除注释；
引入包含文件；
编译阶段
汇编语言：指令代码（计算机依旧不能识别
汇编阶段
机器语言：二进制编码（计算机唯一能够识别的语言
链接阶段
+库函数
计算机的性能指标
机器字长
基本概念：也叫基本字长，参与运算的二进制数据的位数决定了寄存器、ALU、数据总线位数，代表了运算精度
易混淆概念：
所有字长都必须是字节的整数倍
机器字长：一般等于内部寄存器的大小
指令字长：一个指令包含的二进制码的位数
存储字长：存储单元的二进制码的长度/位数
指令字长和机器字长没有任何关系
存储字长和他们也没有关系
64位的机器，说明内部寄存器都是64位，一次ALU可计算64位
Q:8位存储单元放不下16位指令单元怎么办？
A:取两次，一次取两个存储单元
主存容量
基本概念：一般指主存的最大容量，单位是字节Byte
运行时程序和数据都在主存中，主存容量越大，可运行的程序就越多，MAR位数决定了可寻址范围的最大值（但不一定是当前机器安装内存的容量）
运算速度
吞吐量和响应时间
吞吐量：单位时间内处理的请求数量
信息输入内存的速度
CPU取指令的速度
数据取出/存入内存的速度
从内存转出到外部设备的速度
响应时间：从用户发送请求到收到响应经过的时间
CPU时间（运行程序花费的时间）
等待时间（磁盘访问/主存访问/IO操作/OS开销/网络传输）
CPU时钟周期和主频
CPU时钟周期：单个动作所花费的时间
节拍脉冲或T周期，即主频的倒数
CPU中最小的时间单位，每个动作至少一个时钟周期
单位：秒
主频（CPU时钟频率）：单位时间完成基本动作的数量
机器内部主时钟的频率
主频越高花费时间越短，执行指令速度越快
单位：Hz（赫兹），即次数/秒
时钟周期=1/主频，互为倒数
CPI（Clock cycle Per Instruction)
执行一条指令所需的时钟周期数
CPU执行时间
即运行一个程序所花费的时间
=CPU时钟周期数/主频=（指令条数*CPI）/主频
三要素（相互制约）
- 主频（时钟频率）
- 每条指令所用的时钟周期数（CPI）
- 指令条数
其他（了解）
MIPS：Million Instructions Per Second
=指令条数/（执行时间*10^6）
MFLOPS：Mega Floating-point Operations PS
=浮点数操作次数/（执行时间*10^6）
GFLOPS：Giga Floating-point Operation PS
=浮点数操作次数/（执行时间*10^9）
TFLOPS：Tera Floating-point Operations PS
=浮点数操作次数/（执行时间*10^12）