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盘算机道理

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  计算机原理由冯·诺依曼(Von Neumann)与莫尔小组于1943年—1946年提出。在人类科技史上还没有一种科学可以与计算机的发展之快相提并论。计算机原理适用于科学计算、信息管理等领域。

  1943——1946年美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分器和计算机ENIAC(Electronic Numerical And Computer)是世界上第一台电子多用途计算机。一般认为它是现代计算机的始祖。

  与ENIAC计算机研制的同时,冯·诺依曼(Von Neumann)与莫尔小组合作研制EDVAC计算机,采用了存储程序方案,其后开发的计算机都采用这种方式,称为冯·诺依曼计算机。

  (2)采用存储程序的方式,程序和数据放在同一个存储器中,指令和数据一样可以送到运算器运算,即由指令组成的程序是可以修改的。

  (5)指令在存储器中按执行顺序存放,由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址,一般按顺序递增,但可按运算结果或外界条件而改变。

  (6)机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。

  现代计算机系统结构有了很大新发展,但原则上变化不大,习惯上仍称之为冯·诺依曼机。

  根据计算机所采用的物理器件的发展,一般把电子计算机的发展分成四个阶段,习惯上称为四代。

  电子管计算机时代(从1946年到50年代后期),其主要特点是采用电子管作为基础器件。代表机型IBM公司的IBM650。

  晶体管计算机时代(从50年代中期到60年代后期),采用的主要器件逐步由电子管改为晶体管,缩小了体积,降低了功耗,提高了速度和可靠性,降低了价格。代表机型控制数据公司(CDC)的大型计算机系统CDC6600.

  集成电路计算机时代(从60年代中期到70年代前期),计算机采用集成电路作为基本器件,功耗、体积、价格进一步下降,速度和可靠性相应的提高。代表机型IBM公司的IBM360.

  大规模集成电路计算机时代(从70年代初至今),70年代初,半导体存储器问世,迅速取代了磁芯存储器,并不断向大容量、高速度发展。1984年内含2300个晶体管的Intel4004芯片问世,开启了现代计算机的篇章。

  大型机是反映各个时期先进计算技术的大型通用计算机,其中以IBM公司的大型机系列影响最大。60

  年代的IBM360系统,70年代和80年代的IBM370系统曾占领大型机的主要市场。90年代IBM推出的大型机系列为IBMS/390系列,都是大型机的代表之作。

  现代科学技术,尤其是国防技术的发展,需要有很高运算速度、很大存储容量的计算机,一般大型通用计算机不能满足要求。集成电路的进展,为制造巨型机提供了条件。微处理器的发展为阵列结构的巨型机发展带来了希望。如古德伊尔公司为美国宇航局(NASA)研制了一台处理卫星图像的计算机系统MPP,该机由16384个微处理器组成128*128方阵。

  小型机规模小、结构简单所以设计试制周期短,便于及时采用先进工艺,生产量大,硬件成本低。小

  型机的出现打开了再控制领域应用计算机的局面,许多大型分析仪器、测量仪器使用小型机进行数据采集、整理、分析、计算等。

  微型机的出现与发展,掀起计算机大普及的浪潮,利用4位微处理器Intel4004组成的MCS-4是世界上第一台微型机,它于1971年问世。我们工作学习生活中用的PC就是微型机。1978年Intel成功开发了16位微处理器Intel8086。1981年32位微处理器Intel80386问世。随着技术的不断发展,已经进入64位双核微处理器时代。

  其它还有工程工作站、联机系统和计算机网络,这些就不再赘述,有兴趣的读者可以自己搜索资料。

  这里所说的计算机原理,主要以微型机为主,因为微型机与我们的生活关系最为密切。

  数据可分为数值数据和非数值数据两大类。从计算机所处理数据的类型这个角度来看,计算机的应用原则上应该分成科学计算和非数值计算两大类。后者包括信息处理、过程控制计算机辅助设计、计算机辅助教学、人工智能等,其应用范围远远超过前者。计算机的应用已形成了一门专门的学科,它主要包括以下几方面的内容:

  即纯数值计算,主要是解决科学研究领域的一些复杂的数学问题,计算量大而且精度要求高。例如:气象预报人造卫星轨道的计算等都属于这方面的应用。

  过程控制是指利用计算机对生产或其他过程中的数据及时采集,并按最佳方案实现自动化。过程控制可以提高自动化程度,减轻劳动强度、提高生产效率、降低生产成本,保证产品质量的稳定。

  信息处理是目前计算机应用最广泛的领域之一。信息处理是指用计算机对各种形式的信息(如文字、图像、声音等)收集、存储、加工、分析和传送的过程。当今社会,计算机在信息处理领域的应用,对办

  计算机辅助设计简称为CAD(ComputerAidedDesign),它是利用计算机帮助人们进行各种工程和复杂产品的设计。CAD技术不仅提高了设计质量,而且也提高了自动化程度,大大缩短了新产品的设计与试制周期,从而成为生产现代化的重要手段。

  计算机辅助制造简称为CAM(ComputerAidedManufacturing)。它是利用计算机直接控制零件的加工,实现无图纸加工。

  计算机辅助教学简称为CAI(ComputerAssistedInstruction)。它是指利用多媒体和网络技术,使得网上教学和远程教学得以实现。利用CAI,可将课程内容编成图文并茂的软件,使教学过程更加形象化。对于不同程度的学生可以自主选择不同的教学内容和教学进度,改变了教学的单一模式。

  由上图我们可以看出,计算机系统包含硬件系统和软件系统,硬件系统是计算机的基础,软件系统是计算机的上层建筑。一个完整的计算机系统必须包含硬件系统和软件系统,只有硬件系统没有软件系统的机器叫裸机。

  硬件系统一般包括:微处理器(CPU)、内存储器、输入/输出接口、系统总线、外部设备。

  其中,各部件之间的信号传输要通过系统总线来完成。系统总线、微处理器(CPU) CPU是电脑系统的心脏,电脑特别是微型电脑的快速发展过程,实质上就是CPU从低级向高级、从简单向复杂发展的过程。

  CPU(Central Processing Unit)又叫中央处理器,其主要功能是进行运算和逻辑运算,内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为:八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。

  主流的CPU都是由AMD公司和Intel公司生产提供的。如AMD Athlon64 X2 5000+AM2、Intel Core 2 Duo E7200等。

  内存储器简单的说就是我们通常说的内存。辅助存储器简单的说就是指硬盘和光驱。

  IDE接口,一般用于连接硬盘和光驱,这个接口逐渐被SATA接口所代替;SCSI接口主要是用作连接SCSI接口的硬盘;USB接口一种通用万能插口,支持热插拔;IEEE 1394接口比USB接口提供了更高的速率,同时也支持热插拔。AGP接口,主要是用来连接显卡,但是随着技术的发展,逐渐被PCI-E接口所取代。

  总线一般有两类:一类是连接计算机内部各模块的总线,如连接CPU、存储器和I/O接口的总线,常用的有ISA总线EISA总线PCI总线等;另一类为系统之间或系统与外部设备之间连接的总线,常用的有EIA-RS232C串行总线并行总线、外部设备

  运算器又称算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算,比如:加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算,比如:与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的,根据指令规定的寻址方式,运算器从存储或寄存器中取得操作数,进行计算后,送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器,加法器用于运算,寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。

  这4个步骤组成一个循环过程。输入、处理、输出和存储并不一定按照上述的顺序操作。在程序的指挥下,计算机根据需要决定采取哪一个步骤。个人计算机的工作过程是通过输入设备(键盘或鼠标等)输入用户的操作命令或数据,计算机的处理单元(微处理器)接受到输入命令后,进行处理并将结果在计算机的输出设备(显示器或打印机等)上输出,也可以将结果保存在计算机的存储器(硬盘或软盘)上。因此,计算机对于某种输入命令所要进行的对应操作,是由事先保存在计算机中的程序决定的。

  PC一般由主机和输入输出设备组成。主机一般由CPU、主板、内存、硬盘、显卡、光驱、电源、机箱、散热器等组成;输入设备一般包括键盘、鼠标等,输出设备一般包括显示器、打印机等。这样由主机和输入输出设备组成了一台裸机,只有再安装好操作系统和应用软件以后,才称得上一台真正的计算机。

  这种电路叫做“与门”,待会我写成“and”,可以理解吧?接通记成1,否则0。

  那就是1 and 1 结果就是1,或者写成 and(1,1)=1。显然and(1,0)=0。

  再有一个要记住,其实一个很小的电子元件就可以实现这个功能,不一定真要去搞一条线两个开关。这个电子元件叫二极管还是八极管还是电容我们不用去关心,反正可以实现。非要了解你去查别的资料。

  如果是并联开关呢,就是一条线接个分支出去,接上开关汇成一条线。打开任何一个开关,都可以通,就是“或门” 待会我写成 or。同样是电路实现的。

  现在有一条线本来是通的,灯会亮。你在中间分一条线出来,接上一个开关制造一个短路,如果不理解短路。就想象成水龙头,本来2楼可以用水,你把一楼的水龙头打开二楼自然就没水了。英文是“notrynodie”很高端。 待会我写成not, 这叫做“非门”。

  讲完了,以上大概就是计算机的80%原理了。自己喜欢推导就不用看下面了。

  这叫做叫做与非门,捋一捋就知道Not(and(1,1))=0,not(and(0,0))=1。

  基本门电路了解了。我们来看一下怎么实现进位记数。首先我们设定一下,通电就是1,不通就是0,待会好表达。现在地上放横放四个灯泡,刚好二进制的4位数。第一位就是一个开关,第二位做一个and(xy),有两个信号时,输出1个信号。这就是二进制的第二位。第三位做一个and[and(xy),and(x,y)]4个信号都是1时,才输出1,看得懂不?里面成and构成外面and的信号源。这不就是2进制了吗?也就是说,这也是通过逻辑电路可以实现的。

  就像刚才,二进制进位也需要储存啊,把上一位输出输入到下一位,或者加上另一个数,需要有个地方暂时存放我们的信号呀。有一种电子元件,叫啥?电容?半导体?还是什么东西,他有一种特性,就是你给他加电,他不传导。他会把电子留下,如果再加电,就会被击穿,短暂的放出电子(大概或者就是这么个道理)。这个原理就可以作为机器里的暂存。外部存储就是光盘,磁盘什么的。最早会用到的打孔方法,这个最好理解。一条很长的纸带上,有规律的打上一些孔。我们按一定的速度拖动这张纸条。因为有孔,所以有时透光,有时不透光。透光的时候对面有个感光元件收集信号。在约定个时长比如一秒采一次样。就得到一段2进制的信息了。这个约定的采样时长很重要。要不就乱套了,这个后面再说。

  最好理解的是显示屏。你可以把这些看做是一排排的灯。每个灯泡连一个开关。按规定开关灯泡,就显示出信息。想要显示8的样子。按顺序开关就好。这个顺序是用逻辑电路去设计好的。不用我们去逐个按电灯的开关。我们控制逻辑电路就好。只按几个开关,就能显示出8。当然这是最笨的办法。没有哪台电脑会这么去干。

  如果这组8的信号没有输给显示器,而是输给了存储器1。然后我们按加号,识别为选择存储器2。我们输入1。当你按等号。就会执行一个把存储器1和存储器2的信号同时输出一个准备好的逻辑电路。等逻辑电路再输出的时候,就正好变成了9的信号,再把这个数字信号,输送给控制显示器的逻辑电路翻译成灯阵的开关方式。最后显示器的灯阵就会显示出9的样。这就实现了加法。也实现了显示。减法差不多,

  一旦有了加法,就可以叠加其他的运算符号。比如乘法,减法。多少次方。差不多都是加法的累加。在加上之前说的逻辑运算。就发展出了更多的逻辑方式,比如“如果……就执行“这种控制方式。相当于用逻辑门设定一个执行密码。

  有了加减乘除,有了if,for。就可以把一些不是数字的转成数字来计算。比如,屏幕如果关闭,就关机。这里头没数字。但是我可以把屏幕关闭这种状态解释为1,我写下逻辑,如果屏幕关闭状态成立,X=1,如果X=1,执行关机的流程。 这里的X是我们提前准备好的一个盒子。没有信号输入的时候保存为0.

  明白了这个道理,我们就可以编一些简单的程序了。比如让电脑在显示器上显示一个圆。写好了、很复杂。也许累了8天。但是以后再要画圆,就不用再写了。因为我可以保存这段代码。下次用的时候,只需要改变直径参数就可以了。但是这段代码很长,抄起来也很费时间。所以我们取个代号,比如是cor,用逻辑方法,如果我们输如cor这个代号时候,机器输出画圆的代码串。我们再加个参数,比如cor=10,这样电脑就会画一个直径10的圆。你自的代码可以简写成cor,别人写的就不一定,他可能会简写成roc什么的。为了让别被人也读懂你的代码,最好是统一下。

  有个很牛的人叫做“别死磕”,写了很多机器代码,有的是控制显示器画直线,有的控制时间,有的命令只是帮助计算。他把这些命令全部保存起来,都复制给别人用,大家都用,用的人多了,就成了一种语言,叫做”别死磕”。

  我们再用”别死磕”编译成更高级的编程语言,比如C,“别死磕”一个命令可以代表上百个机器开关,可以敲3下键盘就画一个圆。C语言一个命令可以代表上百条”别死磕”命令。可以敲2下键盘就画一个奥迪。在C的基础上,我们还搞了C++。机器在翻译的时候,会先将C++翻译成C语言,在把C语言翻译成机器语言。这就是编程。

  刚才说了频率,再回顾一下。频率就是信号的间隔。比如远方船上的旗手,举左手是一个意思,举右手是一个意思,这样我们就不用考虑频率。但是如果对面旗手是残疾人。我们换个说法,你举手是1,不举手是0,这种情况就需要考虑频率了,要不然我怎么知道你3分钟不举手代表几个意思。如果1秒钟采样2次。就是2赫兹。这样的速度对于船上残疾旗手来说已经很快了。表达“你好”两个字只需要半分钟。但是计算机器还要稍快点,每秒三、五十亿次。当然这个是cpu内部的频率。内存到cpu之间、光盘到硬盘之间没这么快。光盘最好理解。光盘上有很多洞。有洞的地方是1,没洞就是0,光盘转起来,光头在上面扫过读信息。转速不能再提高,但读的效率可以再提高,就是再增加一个光头(就这个意思)。对了,读取信息还要用线来传输,比如拷贝到硬盘内存什么的。多了个光头,就多条线呗。一条线不行两条。线多了不好收拾就粘成一排,7、8条线粘成一排看上去就像一条带子有没有。线越多带子就越宽对不对,所以带宽就影响到速度有没有。所以带宽*频率。就是总的效率

  再来,你4条线同时给我传信息,我同时就能收到4个信号。我想只要3个信号都不行。就好比你想买1根牙签,老板说一盒4根不开零。或者看成对面船首站了4位残疾人在打信号,4个信号排列起来就是4位,每个信号两个区别,有信号跟没,就是0和1,这4位机就是4位机。4位你自己算算有多少种变化。不就刚好16种吗,每采样一次,能得到16个符号,英文字母26个,还要区分大写还有标点,16肯定是不够的。所以我们再采样2次。就能得到16*16,256个变化,这样就可以表示英文的一个字母了。采样两次才能成字母,叫字。采样一次只能算一个节奏,所以叫字节。一个中文四个字节,也叫双字。采样一次有16个变化。就记做F,0~9后面是abcdef,刚好,F代表15。0~F ,这就是16进制。

本站文章于2019-10-22 10:06,互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。 转载请注明:盘算机道理
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