计算机历史

早期的计算器 -> 机械计算器 -> 电子管计算机 -> 晶体管计算机 -> 集成电路计算机

早期的计算器

算盘

算筹：十进制计数法

纳皮尔算筹：计算乘除

计算尺：提出对数概念，化幂运算为乘除，化乘除为加减

机械计算器

契克卡德计算钟：能算六位数

帕斯卡计算器：能自动处理计算

莱布尼兹步进计算器：第一台具有完整四则运算的计算机

查尔斯·巴贝奇：现代计算机鼻祖，差分机（1822年，缺少零件，没做出来）、分析机（1833年，组成结构和现代计算机类似，也可以分为五大组成部件）

现代计算机

图灵机（1936）
  1.     图灵将人类用纸和笔进行数学运算过程进行抽象，提出的一种计算模型-图灵机

图灵机组成：

1、一条无限长的纸带，上面有格子，格子里有字符（内存）

2、读写头，可以读出当前格子的字符，并且能改变它（cpu控制单元）

3、一套规则表，用来更新状态（cpu计算单元）

4、状态寄存器，用来保存当前所处状态（cpu寄存器）

冯若依曼式计算机（1945）
  1.     冯若依曼在思考EDVAC项目时，根据图灵机的思想，完成了影响计算机历史走向的《EDVAC报告书的第一份草案》。为现代计算机指明了道路。

1、机器内部使用二进制表示数据。

2、像存储数据一样存储程序。

3、计算机由输入模块、输出模块、存储器、控制器、计算器，5大模块组成。

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EDVAC（1950)
  1.     第一台现代电子计算机，采用**电子管**作为基本电子元器件，体积大、耗电量大、寿命短、可靠性低 、成本高；存储器采用水银延迟线。

第二代电子计算机（50年代）

50年代后期，随着晶体管技术的成熟，各个计算机制造公司淘汰了电子管，开始生产晶体管计算机

第三代电子计算机（1964）

中小规模集成电路计算机

1964年，IBM研制出了大型集成电路通用计算机。集成电路的基本单元就是晶体管，使计算机的体积和功耗进一步减小，可靠性和运算速度进一步提高。

第三代电子计算机（1971-至今）

大规模集成电路计算机

计算机基本硬件组成

（1）cpu：相当于人的大脑，负责从程序中获得指令并且执行。

（2）内存：程序和cpu沟通的桥梁，计算机中所有程序的运行都是在内存中。

（3）主板：主板上集成了各种电子元件、插槽和接口，为cpu、内存和各种功能卡（网卡、声卡）提供了按照插槽。

  1.     北桥芯片：负责与CPU的联系并控制内存，是主板上离CPU最近的芯片。现在很多处理器上北桥芯片已经内置化了。北桥的总线称为系统总线。
  3.     南桥芯片：负责IO设备接口的控制。南桥的总线称为IO总线。

（4）IO设备：和外界交流的输入输出设备。

（5）显卡：图形处理器。

冯若依曼和哈佛

冯若依曼结构

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哈佛结构

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  1.     冯若依曼结构和哈佛结构的主要区别在于是否区分指令和数据。现在的计算机，在内存里，指令和数据是放在一起的，在cpu内部会区分指令缓存和数据缓存，最终执行的时候，指令和数据是从两个不同地方出来的。因此在cpu外部，采用的是冯若依曼结构，cpu内部采用的是哈佛结构。
  3.     冯若依曼结构的优点是结构简单，缺点是相对效率较低。哈佛结构的优点是效率高，缺点是结构设计复杂。

cpu指令如何执行

java程序的运行流程

1、编写java代码，在.java文件中，此时是人类可读的代码。

2、javac编译.java文件变成class字节码文件（二进制）。

3、将class文件读到内存中（内存）。

3、jvm虚拟机解释编译，操作系统调用cpu执行指令（cpu）。

cpu的组成

控制单元：从内存中提取指令并解码执行。

算术逻辑单元（ALU）：处理算数和逻辑运算。

从功能来看：cpu的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四部分组成。

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寄存器：暂存指令、数据、地址，一个cpu中会有许多寄存器

控制器：将内存中的指令、数据读入寄存器，并根据指令的结果控制计算机。

运算器：负责运算。

时钟：负责发出cpu开始计时时的时钟信号。

cpu相关的系统总线

cpu和内存来回传数据，主要涉及两类总线，一个是地址总线，一个是数据总线

地址总线的位数，决定了cpu能访问地址有多广。

数据总线的位数，决定了cpu一次能拿多少个数。

cpu指令执行过程

冯若依曼计算机的cpu，工作可以分5个阶段，（1）取指令（2）指令译码（3）执行指令（4）获取数据（5）结果写回

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