概述

计算机的发展历史

计算机发展的四个阶段

• 1946年 ~ 1957年：第一阶段 - 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）是第一阶段较为著名的电子管计算机
    • 埃尼阿克（ENIAC）拥有1万8千多个电子管，运行耗电量150千瓦，重量达30吨，占地1500平方英尺
  • 电子管计算机总结
    1. 集成度小，空间占用大
    2. 功耗高，运算速度慢
    3. 操作复杂，更换程序需要接线
• 1957年 ~ 1964年：第二阶段 - 晶体管计算机
  • 贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管，因此十年内给计算机带来了革命
  • 全世界第一个晶体管计算机：TX-0，诞生于麻省理工大学的林肯实验室
  • 同期较为出名的晶体管计算机：PDP-1，是当时性能最高的晶体管计算机。拥有4k的内存，每秒20万个指令的能力，配备512 x 512的显示器
  • 晶体管计算机总结
    1. 集成度相对较高，空间占用相对小
    2. 功耗相对较低，运行速度较快
    3. 操作相对简单，交互更加方便
• 1964年 ~ 1980年：第三阶段 - 集成电路计算机
  • 德州仪器的工程师发明了集成电路（IC）
  • 集成电路计算机总结
    1. 计算机变得更小
    2. 功耗变得更低
    3. 计算速度变得更快
  • 操作系统的诞生
    • 当时IBM有两款计算机卖的比较好，分别是 7094、1401 这两款计算机，它们之间主打功能不同，互相无法兼容。为了解决这个问题，IBM推出了兼容的产品System/360, System/360也成为了操作系统的雏形。操作系统的出现，改变了计算机行业，使得不同的电子元器件，不同电路的计算机，都能在同一个操作系统下面运行。

• 1980年 ~ 现在：第四阶段 - 超大规模集成电路计算机

  • CPU就是一个超大规模集成电路
  • 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
  • 用途丰富：文本处理、表格处理、高交互的游戏与应用

• 微型计算机的发展历史

  • 单核CPU
    1. 1971 - 1973：500KHz频率的微型计算机（字长8位）
    2. 1973 - 1978：高于1MHz频率的微型计算机（字长8位）
    3. 1978 - 1985：500MHz频率的微型计算机（字长16位）
    4. 1985 - 2000：高于1GHz频率的微型计算机（字长32位）
    5. 2000 - 现在：高于2GHz频率的微型计算机（字长64位）
  • 多核CPU
    1. 2005年 Intel崩腾系列双核CPU、AMD速龙系列
    2. 2006年 Intel酷睿四核CPU
    3. Intel酷睿系列16核CPU
    4. 在服务器领域 Intel至强系列五十六核CPU

计算机的分类

• 超级计算机
  • 功能最强、运算速度最快、存储容量最大的计算机
  • 标记他们运算的单位是TFlop/s（1TFlop/s = 每秒一万亿次浮点计算）
    • Intel(R) Core(TM) i7-6700K CPU @ 4.00GHz: 44.87GFlop/s 44.87GFlop/s = 0.04487TFlop/s
• 大型计算机
  • 又称大型机、大型主机、主机等
  • 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占据着很大的市场份额（在大型计机中使用GOBOL编程语言）
• 迷你计算机（服务器）
  • 也称为小型机，普通服务器
  • 不需要特殊的空调场所
• 工作站
  • 高端的通用微型计算机，提供比个人计算机更强大的性能
  • 类似于普通台式电脑，体积较大，但性能强劲
• 微型计算机
  • 又称为个人计算机，是最普通的一类计算机
    1. 台式机
    2. 笔记本电脑
    3. 一体机

计算机的体系与结构

• 冯诺依曼体系
  • 将程序指令和数据一起存储到计算机设计概念结构
  • 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
• 现代计算机的结构
  • 现代计算机在冯诺依曼体系结构基础上进行修改
  • 解决CPU与存储设备之间的性能差异问题
    1. 增加内存
    2. CPU的寄存器

计算机的层次与编程

程序翻译与程序解析

• 程序翻译（编译器）：较为高级的计算机语言L1进行逻辑描述，转换成较为低级的计算机语言L0，最终实际执行的语言就是L0
• 程序解析（解析器）：较为高级的计算机语言L1进行逻辑描述，使用L0语言实现另一个程序作为输入转为较为低级的计算机语言L0
• 总结
  1. 计算机执行的指令都是L0
  2. 翻译过程生成新的L0程序，解释过程不生成新的L0程序
  3. 解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序
• 程序翻译型语言
  1. C/C++
  2. Object-C
  3. Golang 4.
• 程序解释型语言
  1. Python
  2. PHP
  3. JavaScripy
• 翻译 + 解释型语言
  1. Java
     • java -> 编译 -> jvm字节码 -> 解释 -> 机器码 （平时编写程序都是在JVM虚拟机的上层进行编写）
  2. C#

计算机的层次

• 层次（由低到高）
  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. 高级预压层
  7. 应用层
• 层次划分
  • 1~3为实际的机器，硬件逻辑，跟物理设备相关的。
  • 4~7为虚拟机器
  • 4~6为系统软件
  • 7为应用软件
  • 微指令 < 微程序 = 机器指令
    • 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

计算机的速度与单位

• 容量单位

  • 在物理层面，高低电平记录信息
  • 理论上只认识0/1两种状态
  • 0/1能够表示的内容太少了，需要更大的容量表示方法，0/1成为bit（比特位）

  	bit	Byte	KB	MB	GB	TB	PB	EB
  名字	比特位	字节	千字节	兆字节	吉字节	太字节	拍字节	艾字节
  比例	-	8bits	1024B	1024KB	1024MB	1024GB	1024TB	1024EB
  常见设别	门电路	-	寄存器	高速缓存	内存/硬盘	硬盘	云硬盘	数据仓库

• 速度单位

  • 网络速度
    • 为什么100M的光纤，测试峰值速度只有12M每秒？
      • 网络常用单位为Mbps
      • 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）
  • 主流CPU的时钟频率都在2GHz以上
  • Hz其实就是秒分之一：它是每秒中的周期性变动重复次数的计量
  • 在高低电平中每秒变幻的次数：2GHz = 2 * 1000^3Hz = 20亿次/秒

计算机的字符与编码

• 字符编码集的历史
  • ASCII码：一共有128个（33 + 95 = 128 = 2^7）
    • 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（包括控制字符）
  • ASCII码缺点：很多应用或者国家中的符号都无法表示，还有数学符号：除、不等于、大于等于、约等于、π...，为了补充缺点，有了以下的ASCII码的扩充
  • Extended ASCII码：第一次对ASCII码进行扩充，7bits => 8bits，扩充后为256个字符，如下表
  • 字符编码集的国际化
    • 欧洲、中亚、东亚、拉丁美洲国家的语言多样性
    • 语言体系不一样，不以有限字符组合的语言
    • 中国、韩国、日本等的语言最为复杂
• 中文编码集
  • GB2312
    • 1980年发明，中文名称《信息交换用汉字编码字符集 -- 基本集》
    • 一共收录了7445个字符
    • 包括6763个汉字和682个其它符号
  • GBK
    • 1995年推出，中文名称《汉字内码扩展规范》
    • 向下兼容GB2312，向上支持国际ISO标准
    • 收录了21003个汉字，支持全部中日韩汉字
  • Unicode
    • 兼容全球的字符集
    • 统一码、万国码、单一码
    • Unicode定义了世界通用的符号集，UTF-*实现了编码
    • UFT-8以字节为单位对Unicode进行编码