计算机组成原理

第一部分

• 计算机的发展历史
• 计算机的分类
• 计算机的体系结构
• 计算机的层次与编程语言
• 计算机的计算单位
• 计算机的字符与编码集

计算机的发展历史

• 第一阶段：电子管计算机，1946 年开始
• 第二阶段：晶体管计算机，1957 年开始
• 第三阶段：集成电路计算机，1964 年开始
• 第四阶段：超大规模集成电路计算机，1980 年开始直到现在

微型计算机的发展主要是从单核到多核。

计算机的分类

• 超级计算机
• 大型计算机
  • 去IOE行动
• 工作站
• 小型机（普通服务器）
  • 普通服务器已经代替了传统的大型机，成为大厂的中枢
• 微型计算机，又称为个人计算机

我们接触最多的就是普通服务器和微型计算机

计算机的体系结构

• 冯洛伊曼体系
• 现代计算机体系

冯洛伊曼体系

概况为：将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构。

早期计算机仅含固定用途程序，改变程序需更改结构、重新设计电路。冯若依曼的设计是存储程序指令，并设计通用电路，来解决早期计算机的问题。这种存储型计算机非常有弹性，通过指令来改变运算的内容，现代计算机都属于冯若依曼机。

必须有这五样：

• 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

冯洛伊曼体系的瓶颈问题是CPU（控制器+运算器）和存储器分离，存储器没有 CPU 快，CPU 经常空转等待数据传输，性能没有完全发挥出来。

现代计算机体系

在冯洛伊曼体系结构中做了一点改变，解决了冯洛伊曼体系中 CUP 与存储器之间的性能差异问题。 解决方法是：把控制器、运算器、存储器都放在 CPU 中。

TIP

这里的存储器主要是指围绕 CPU 的高速设备，比如：CPU 的寄存器、内存

计算机的层次与编程语言

• 程序翻译与程序解释
• 计算机的层次与编程语言

程序翻译与程序解释

人类语言和计算机语言不相通，我需要使用程序翻译或者程序解释，让计算机能理解。

语言 L1：编程语言

语言 L0：计算机语言 010011

程序翻译：

过程：先使用语言 L1 编写程序，然后生成等价的语言 L0 程序，计算机实际执行的是 L0 程序。

中间用来生成的东西叫做编译器。

程序翻译是直接使用编译器，把语言 L1 生成为语言 L0。

程序解释：

过程：先使用语言 L1 编写程序，使用语言 L0 实现另一个程序，将语言 L1 作为输入，等价得到语言 L0 再由计算机实际执行。

中间使用语言 L0 实现的程序叫解释器。

程序解释是使用语言 L0 实现另一个程序，将语言 L1 作为输入，在运行的过程中，把每一句转化为语言 L0 执行。

总结：

• 计算机执行的指令都是语言 L0。
• 程序翻译过程生成新的 L0 程序，程序解释过程不生成新的 L0 程序。
• 程序解释过程由语言 L0 编写的解释器去解释语言 L1 程序
• 区别是解释器运行时转换，而编译器提前转换

程序翻译语言：C/C++、Object-C、Golang

程序解释语言：Python、Php、Javascript

计算机的层次与编程语言

1. 硬件逻辑层
2. 微程序机器层
3. 传统机器层
4. 操作系统层
5. 汇编语言层
6. 高级语言层
7. 应用层

1、2、3属于实际机器，4、5、6、7属于虚拟机器，在虚拟机器中7属于应用软件，其它属于系统软件。

一条机器指令对应一个微程序，一个微程序对应一组微指令。

4. 操作系统层

• 操作系统层是在软件和硬件之间的适配层
• 向上提供了简易的操作界面
• 向下对接了指令系统，管理硬件资源

5. 汇编语言层

• 编程语言就是汇编语言
• 汇编语言可以翻译成可直接执行的机器语言
• 完成翻译过程的程序就是汇编器

6. 高级语言层

• 常见的高级语言有：C/C++、Python、Java、Javascript
• 为广大程序员所接受的高级语言，种类非常多，有几百种

7. 应用层

• 满足计算机针对某种用途而专门设计的软件

计算机的计算单位

• 容量单位
• 速度单位

容量单位

• 在物理层面，计算机通过高低电平记录信息，高电平表示 1，低电平表示 0
• 理论上只认识 0/1 两种状态
• 0/1 称为 bit（比特位）

字节单位：

用 8 个 bit（比特位）表示 1 个字节

字节：1Byte = 8bits

硬盘商一般用 10 进位标记容量，方便自己开发，500G 硬盘格式化之后只剩 465G。

速度单位

• 网络速度
• CPU 速度

网络速度

问：100M 宽带，说是 100M 每秒，但为什么下载速度只有 12.5M 每秒？

回答：

因为网络常用单位为（Mbps），这之间有字节到比特位的转换，1bit = 8Byte，实际网络速度都需要除以 8

100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s

100Mbit/s = (100/8)Mb/s = 12.5Mb/s

CPU 速度

• CPU 的速度一般体现为 CPU 的时钟频率
• CPU 的时钟频率的单位一般是赫兹（Hz）
• 赫兹（Hz）是每秒中的次数计量，描述高低电平每秒中的变化次数

计算机的字符与编码集

• 字符编码集的历史
• 中文编码集

字符编码集的历史

• ASCII 码
• Extended ASCII 码
• 字符编码集的国际化

ASCII 码：

平时很常用的编码，比如大写字母、小写字母、符号等。

• 使用 7 个 bits 就可以完全表示 ASCII 码
• 包含 95 个可打印字符，33 个不可打印字符

Extended ASCII 码：

计算机发展到后来，有很多应用或者国家中的符号无法表示，所以对 ASCII 码进行第一次扩充，7bits => 8bits，用 8 个代替原来的 7 个。

字符编码集的国际化

• 全球文字多种多样，体系也不一样
• 中、韩、日文字最为复杂

中文编码集

• GB2312
• GBK
• Unicode

GB2312：

• 第一套
• 一共收录 7445 个字符
• 但是不符合国际标准

GBK：

• 第二套
• 向下兼容 GB2312，向上支持国际 ISO 标准
• 一共收录 21003 个汉字
• 在中国可以用，但如果国外的电脑访问 GBK 网页，而电脑中没有这个编码，会出现乱码

Unicode：

• 兼容全球的字符集，统一码、万国码
• 定义了世界通用的字符集，UTF-*实现了编码
• UTF-8以字节为单位对 Unicode 进行编码
• 编程推荐使用UTF-8编码

第二部分

• 计算机的总线与 IO 设备
• 计算机的存储器
• 计算机的 CPU

计算机的总线与 IO 设备

• 计算机的总线
• 计算机的输入/输出设备

计算机的总线

• 总线是什么？

  • 常用的有USB总线，也叫通用串行总线
  • 还有电脑主板上的PCI总线，用来插显卡

• 总线有什么用？

  • 解决不同设备之间的通信问题
  • 提供了对外连接的统一标准接口
  • 不同设备可以通过USB接口进行连接，比如：键盘、鼠标、U 盘

• 有哪些常见总线？

  • 地址总线
  • 数据总线
  • 控制总线

• 数据总线的位数是什么？

  • 也叫总线的宽度，一般与 CPU 的位数相同（32 位、64 位）
  • 一次可以传输 32 位的 4 个字节或 64 位的 8 个字节

• 总线仲裁是什么？

  • 为了解决总线使用权的冲突问题

计算机的输入/输出设备

• 常见输入设备
• 常见输出设备
• 输入输出接口的通用设计
• CPU 与 IO 设备的通信方法

常见输入设备：

• 字符输入设备
  • 键盘
    • 薄膜键盘
    • 机械键盘
    • 电容键盘
• 图像输入设备
  • 鼠标
  • 数位板
    • 输入板和压感笔
  • 扫描仪

常见输出设备：

• 显示器
• 打印机
• 投影仪

输入输出接口的通用设计：

需要向设备发送数据、读取数据、判断设备是否被占用、检查设备是否已经启动或正常连接

• 数据线
• 状态线
• 命令线
• 设备选择线

CPU 与 IO 设备的通信方法：

• 程序中断
• DMA（直接存储器访问）

计算机的存储器

• 计算机的存储器概览
• 计算机的主存储器与辅助存储器
• 计算机的高速存储器

计算机的存储器概览

• 存储器的分类
• 存储器的层次结构

存储器的分类：

• 按存储介质分类：

  • 半导体存储器
    • 内存
    • U 盘
    • 固态硬盘
  • 磁存储器
    • 磁带
    • 磁盘

• 按存取方式分类：

  • 随机存储器（RAM）
    • 随机读取
    • 与位置无关
  • 串行存储器
    • 按顺序查找
    • 与位置有关
  • 只读存储器（ROM）
    • 只读不写

存储器的层次结构：

选购存储器的因素：

• 速写速度：5400 转/7200 转，越高越好
• 存储容量：2T/4G，越高越好
• 价格，越低越好

性价比：容量 + 价格 => 位价（每比特位价格）

根据位价划分层次结构：

• 缓存：CPU 里面的寄存器，高速缓存。速度快，位价高。
• 主存：计算机里面的内存。速度适中，位价适中。
• 辅存：外部辅存设备，扩展容量，比如磁盘、U 盘、移动硬盘。速度慢，位价低。

局部性原理

当 CPU 访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

实现：在 CPU 与主存之间增加一层速度快、容量小的缓存，可以解决主存速度不足的问题，有效提高 CPU 的效率。

计算机的主存储器与辅助存储器

• 主存储器：内存
• 辅助存储器：磁盘

为什么计算机断电，内存数据会丢失，而磁盘数据不会丢失？

主存储器：内存

就是计算机中的内存条，存取方式属于随机存储器（RAM）。

RAM通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次，刷新需要有电。如果断电，那么一段时间后将丢失所有数据。

• 主存储器与操作系统的位数有关系：
  • 32 位系统
    • 最多支持 4GB 的内存，因为地址总线只有 32 位
  • 64 位系统
    • 最多能支持2的34次方GB 的内存

辅助存储器：磁盘

• 物理结构
• 调度算法

计算机的高速存储器

高度缓存是为了解决 CPU 与主存的速度不匹配的瓶颈问题

• 高速缓存的工作原理
• 高速缓存的替换策略

高速缓存的工作原理

字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合，比如一个数据、一个指令、一个字符串

字块：存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字，包含多个字

CPU 从高速缓存中取数据。命中率。访问效率。

高速缓存的替换策略

当 CPU 所需的数据不在高速缓存中，需要从主存载入所需数据。

• 随机算法
• 先进先出算法（FIFO）
• 最不经常使用算法（LFU）
• 最近最少使用算法（LRU）

计算机的 CPU

• 计算机的指令系统
• 计算机的控制器
• 计算机的运算器
• 指令执行过程

计算机的指令系统

• 机器指令的形式
• 机器指令的操作类型
• 机器指令的寻址方式

机器指令的形式：

机器指令主要由两部分组成：操作码、地址码

操作码：指明指令所要完成的操作，位数反映了机器的操作种类

地址码：给出操作数或者操作数的地址，分为三地址指令、二地址指令、一地址指令

机器指令的操作类型：

• 数据传输类型：数据读写、交换地址数据、清零等操作

• 算术逻辑操作类型：加减乘除运算、与或非逻辑运算

• 移位操作类型：左移、右移

• 控制指令类型： 等待指令、停机指令、中断指令

机器指令的寻址方式：

• 指令寻址

  • 顺序寻址
  • 跳跃寻址

• 数据寻址

  • 立即寻址
  • 直接寻址
  • 间接寻址

计算机的控制器

组成部分：

• 程序计数器：用来存储下一条指令的地址，循环拿出指令

• 时序发生器：用于发送时序脉冲

• 指令译码器：翻译操作码对应的操作，以及控制传输地址码对应的数据

• 指令寄存器：从主存或高速缓存取计算机指令

• 主存地址寄存器：保存当前 CPU 正要访问的内存单元的地址

• 主存数据寄存器：保存当前 CPU 正要读或写的主存数据

• 通用寄存器：用于暂时存放传输数据和指令

计算机的运算器

运算器是用来进行数据运算加工。

组成部分：

• ALU：算术逻辑单元。由逻辑门组成

• 数据缓冲器：暂时存放输入或输出的数据

• 状态字寄存器：存放运算状态和运算信息

• 通用寄存器：用于暂时存放传输数据和指令

指令执行过程

• 指令执行过程
• CPU 的流水线设计

指令执行过程：

1. 取指令
2. 分析指令
3. 执行指令

CPU 的流水线设计

类似于工厂的流水线，多个产品可以同时被加工，不同时刻产品位于不同的加工阶段。

用来提高 CPU 的工作效率。

第三部分

• 进制运算的基础知识
• 二进制数据的表示方法
• 二进制数据的运算

进制运算的基础知识

• 进制的概述
• 二进制的运算基础

逻辑门

加减乘数，计算的底层原理是逻辑门，一大堆逻辑门巧妙的连接在一起：NOT、AND、OR、XOR，本质上只 true 和 false，或只是 0 和 1。

层层抽象，使用几百个逻辑门制作成ALU计算工具。

有些设备用使用加减法，来代替乘数法。

进制的概述

• 进制的定义
• 常见的进制

进制的定义：

• 进制是一种记数方式，也称为进位记数法或位值记数法

• 使用有限数字符号，来表达无限的数值

• 使用的数字符号的数目称为这种进制的基数或底数，比如十进制使用 0-9 十个数字符号

常见的进制：

• 二进制

• 八进制：使用 0-7 八个数字

• 十进制

• 十六进制：网卡地址，使用 0-9 和 A、B、C、D、E、F，十六个数字符号

• 二十进制：玛雅文明的玛雅数字

• 六十进制：运用在时间、坐标、角度等量化数据，比如一个小时六十分钟，六十作为一个进制

TIP

计算机中常用八进制或十六进制，是因为计算机本来喜欢二进制，但是二进制表达太长，所以使用八进制或十六进制来编码，从而缩短长度，且八和十六都满足 2 的 n 次方的要求。

二进制的运算基础

• 二进制转换十进制：按权展开法

使用 2 的次方来计算二进制，从 0 开始

小数运算：

• 十进制转换二进制：重复相除法

小数运算：

十进制与二进制的对比计算：

二进制数据的表示方法

• 原码表示法
• 二进制补码表示法
• 二进制的反码表示法

有符号数与无符号数

负数怎么表达？

• 生活中使用+表示正数，-表示负数，计算机中前面使用0表示正数，使用1表示负数，比如：+237=011101101，-237=111101101
• 符号位在数值第一位，后 8 位是数字位
• 这就是原码表示法
• 会存在一些问题，某些情况的运算会非常复杂

二进制补码表示法

解决原码表示法的问题。使用正数替代负数。使用加法代替减法操作。

二进制的反码表示法

消除转换过程中的减法。

二进制数据的运算

• 定点数与浮点数
• 定点数的加减法运算
• 浮点数的加减法运算
• 浮点数的乘数法运算

第四部分

• 实现双向链表
• 实现置换算法

实现双向链表

• 原理
• 实践

双向链表原理

双向链表的好处：

• 可以快速找到一个节点的下一个节点
• 可以快速找到一个节点的上一个节点
• 可以快速去掉链表中的某一个节点

双向链表实践

实现置换算法

使用双向链表实现以下算法：

• 先进先出算法（FIFO）
• 最不经常使用算法（LFU）
• 最近最少使用算法（LRU）

层层抽象

计算机科学速成课open in new window

• 计算机早期历史
• 电子计算机
• 布尔逻辑和逻辑门
• 二进制
• 算术逻辑单元&ALU
• 寄存器&内存
• CPU
• 编程方式
• 数据结构与算法
• 软件工程
• 操作系统

相关概念

电、电路、逻辑门、锁存器、寄存器、RAM、ALU、CPU

布尔逻辑和逻辑门

晶体管组成了逻辑门，ALU，寄存器，内存

寄存器&内存

锁存器，锁定了一个值就是一个 bit，通过逻辑门，制作出这样的电路，能够锁定 8 个 bit 的一组锁存器叫做寄存器，寄存器能存一个数字，这个数字的位数就是位宽。早期计算机用 8 位寄存器，然后是 16 位，32 位，现在计算机都有 64 位宽的寄存器。

锁存器 -> 寄存器 -> 内存（RAM）

一堆逻辑门抽象成锁存器，一堆锁存器抽象成寄存器，一堆寄存器抽象成内存。

数据和程序最终以二进制值存在内存里。

最早的存储介质是打孔纸卡，后来发明了延迟线存储器，磁芯存储器，磁盘，硬盘，光盘，固定硬盘

存储器（Storage）可以长久保存。

CPU

• 时钟周期
• RAM 的瓶颈，CUP 空等，加入缓存
• 缓存数据标记脏位，同步到 RAM，指令流水线
• 多核，有多个处理单元，共享资源

编程方式

早期计算机的编程方式都是使用穿孔纸卡读取。

后来有了存储型计算机，也就是冯若依曼机。

指令有 8 位，前 4 位是指令码，后 4 位是地址码。

机器只理解二进制，这是机器的"母语"，也叫机器码。

使用二进制写出一个翻译程序，叫汇编器，把汇编语言写的程序转成机器码，但程序员还需要关注寄存器与内存。

编译器出现之后，有更高级的编程语言，无需关注底层细节，可以专心编程。运行速度慢一点，编程速度大大提升。

编程语言：语法，变量，语句，函数，

数据结构与算法

算法无处不在。

数据结构：数组，矩阵，对象，链表，树，图

软件工程

面向对象编程，封装组件，隐藏复杂度，再提升一层抽象。

需要有文档，API。

IDE，调试，源代码版本管理。

QA。

操作系统

操作系统提供 API 抽象硬件。

虚拟内存是新一层抽象。操作系统会自动处理虚拟内存和物理内存之间的映射，对程序来说得到的虚拟内存一直是连续的，真实的物理内存是分开的。程序的内存大小可以灵活增减，这叫动态内存分配。这样可以简化很多东西，同时运行多个程序有极大的灵活性，如果某程序出了问题，也不会影响到其它程序的内存，这是内存保护。