计算机组成原理第一弹

news2024/11/27 20:31:42

ps：本文章的图片来源都是来自于湖科大教书匠高老师的视频，声明：仅供自己复习，里面加上了自己的理解

这里附上视频链接地址：1-2 计算机的发展_哔哩哔哩_bilibili

🚀计算机系统

🚀计算机的发展

🚀计算机系统

由硬件系统和软件系统两部分组成

硬件是构成计算机系统的各种物理装置的总称

例如：中央处理器、CPU、内存、主板、显卡、固态硬盘、键盘、鼠标、显示器、电源电缆等都属于计算机硬件

硬件又可以分为主机和外设两大类

软件划分成系统软件和应用软件两大类

系统软件通常指的是操作系统和相关的系统管理工具。操作系统是一种控制和管理计算机硬件与软件资源的系统软件，它为应用程序提供了一个运行环境。系统软件的功能包括但不限于以下几个方面：

资源管理：操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括处理器、内存、存储设备、网络设备等，以便应用程序可以合理地使用这些资源。

文件系统：操作系统提供文件系统来管理计算机上的文件和目录，包括文件的创建、读取、写入、删除和权限管理等功能。

用户界面：系统软件通常包括用户界面，用于与计算机进行交互。这可以是命令行界面（如Unix/Linux的shell）或图形用户界面（如Windows、macOS和各种Linux发行版）。

设备驱动程序：操作系统提供了设备驱动程序，用于管理计算机上的各种硬件设备，如打印机、键盘、鼠标、显示器等。

系统安全：系统软件负责管理用户的权限和系统的安全性，包括用户身份验证、访问控制、安全更新等。

系统调度：操作系统负责对运行中的程序进行调度和管理，以便合理地分配计算机资源，提高系统的整体性能。

系统维护工具：系统软件通常包括一些系统维护工具，用于诊断和解决问题，例如磁盘清理、性能监控、系统备份和恢复等。

✨总的来说就是为管理整个计算机系统所编制的程序

应用软件是为了实现用户应用所编制的各种程序，

例如科学计算、数据处理、过程控制、事务管理等软件都属于应用软件

计算机系统性能的好坏取决于硬件和软件功能的总和，因为只有单单硬件或软件都是运行不起来的，软件要运行在硬件上

🚀计算机的发展

1936年，英国数学家艾伦图灵，提出了一种十分简单但运算能力极强的理想计算装置用它来计算所有能想象得到的可计算函数。这一装置只是一种理想的计算模型，或者说是一种理想中的计算机，又被称为图灵机（一种具备读写，存储等功能的通用计算机模型）

图灵机的三部分：带子，读写头，控制装置，能执行任何给定的计算，图灵的这一思想奠定了现代计算机基础，现代计算机实际上就是用相应的程序来完成任何设定好的任务。

1938年，美国数学家、信息论创始人香农，深刻的揭示了波尔代数与开关电路之间的联系。为数字电路设计与分析奠定了坚实的数学基础，这项开创性的研究为计算机科学、电子工程与信息技术的发展提供了重要的理论支持。

✨世界上第一台真正意义上的电子数字计算机是在1937年到1942年间，由美国物理系副教授阿塔纳索夫和当时还是物理系贝瑞合作研制成功的。称为阿塔纳索夫贝瑞计算机，简称为ABC。

✨该计算机使用了300个电子管，不可编程，仅用于求解线性方程组。只是一台样机并没有完全实现阿塔那索夫的构想。

1946年。莫克利和艾克特基于ABC计算机的设计思想，成功研制出了真正实用的电子数字计算机

现在国际计算机界公认的事实是，第一台电子数字计算机的真正发明人是阿塔纳索夫。

发展阶段	使用器件	运算速度	主存（内存）	辅存（外存）	特点
第一代（1946-1975）	电子管（真空管）	几千-几万	水银延迟线，磁鼓，磁芯	穿孔卡片，穿孔纸带	使用机器语言编程无操作系统
第2代（1958-1964）	晶体管	几十万-几百万	磁芯	磁鼓，磁带，磁盘	主要使用汇编语言编程，开始使用FORTRAN，COBOL等高级语言，单道批处理系统
第3代（1965-1971年）	集成电路	几百万-几千万	半导体储存器	磁带，磁盘	高级语言进一步发展，出现B语言（c语言的前身）多道批处理系统，分时系统
第4代（1972至今）	超大规模集成电路	几十亿-几千亿	半导体储存器	磁盘，磁带，光盘，半导体存储器	各种高级语言（C/C++,Java,Python）

✨电子管计算机体积大、功耗高、速度慢、可靠性差，主要应用于科学计算

✨相对于电子管计算机，晶体管计算机体积小、速度快、功耗低、可靠性高

✨相对于晶体管计算机，集成电路计算机的体积和功耗都显著减小，而可靠性大大提高，在这一阶段，还出现了巨型机、大型机与小型机同时发展的趋势，计算机类型开始出现多样化和系列化。软件技术与外部设备快速发展。应用领域不断扩大

✨从上述电子数字计算机的发展历程可以看出。其发展特点是体积越来越小，功耗越来越低，可靠性越来越高，运算速度越来越快。这些都依赖于电子器件的发展。

英特尔公司的创始人之一戈登摩尔。他在1965年接受美国电子杂志的总编采访时。对半导体集成电路上可容纳的晶体管数量、性能和价格等发展趋势进行了预测。也就是半导体集成电路上可容纳的晶体管数量大约每经过18~24个月便会增加一倍。换句话说呢，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半，这就是著名的摩尔定律。半导体集成电路50多年的发展历程证明了摩尔定律对半导体芯片工业发展前景的预测是基本准确的。近年来，随着半导体芯片的设计、制造以及封装和测试技术的发展，半导体工艺已接近半导体集成电路极限，半导体芯片的发展开始逐渐偏离摩尔定律的预测，从2013年开始逐步放缓，至三年翻一番。

✨在计算机发展的早期阶段，人们使用机器语言来编写程序，机器语言用二进制代码来表示不同的机器指令，计算机能够直接识别和执行这些机器指令，这对编程人员的要求极高。一方面要求编程人员对计算机的硬件结构非常熟悉。另一方面，机器语言可读性差，易出错和难排错。

为了克服机器语言的上述特点，发展出了汇编语言。它使用一些便于记忆并且能够表示指令功能的注记符来编写程序，尽管使用汇编语言编程比使用机器语言编程的难度有所降低，但是汇编语言仍然是面向机器的语言，人们在使用汇编语言编程前，还是要花费很多时间熟悉所使用计算机的指令集，然后才能使用其相应的符号语言啊，也就是汇编语言来编写程序。因此还是很不方便。

✨为了使不熟悉具体计算机硬件结构和相应指令级的人也能很方便的为计算机编写程序。人们又创造了各种接近于人类语言的高级语言。世界上第一个高级语言是fortran。而最简单和易于初学者使用的高级语言是Basic。Pascal被认为是编程语言的一个重要里程碑。而现代程序语言革命的起点是C语言。

✨从上世纪90年代至今，是面向对象时代，最突出的特点为封装性、继承性和多态性。