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「計算機科學基礎」第一章 計算機系統

2022-11-30 07:20:46 其他

計算機系統

初識計算機

計算機是一種用于高速計算的機器,既可以進行數值運算,又可以進行邏輯運算,還具有存盤記憶功能.

計算機的功能

計算機就是能夠執行計算的機器,也是能夠根據一系列指令來處理資料的機器.

資料是對事實、概念或指令的一種表達形式,其形式可以是數字、文字、影像或聲音等.

計算機的主要功能:

  1. 資料存盤
  2. 資料處理
  3. 資料的輸入輸出

計算機的發展

原始工具

算盤

  1. 輔助人類完成手動運算的工具
  2. 運算不僅僅基于10進制,早期一些基于16進制

機械計算機

帕斯卡加法器

  1. 實作了自動計算
  2. 五個齒輪——表示五位10進制數
  3. 運算時,從高位向低位依次撥下第二個數對應位的數,內部機械結構自動完成進位

萊布尼茲機械乘法

  1. 靈巧性有很大進步
  2. 幾乎每一步運算都需要人工干預,沒有突破手工操作的局限

查爾斯·巴貝奇分析機(差分機)

  1. 當時未完成
  2. 提花織布機、八音盒利用打孔卡片實作類似現代技術的“解碼”,體現了可編程思想,分析機也是如此

電子計算機

赫爾曼 第一臺電動計算機

  1. 穿孔卡片+弱電流技術
  2. 用與人口普查

馬可一號

  1. 全繼電器
  2. 體積很大
  3. 速度很慢但精度不高

ENIAC(電子數字積分計算機)

  1. 第一臺計算機
  2. 電子管
  3. 當時性能非常優秀,但體積巨大且耗電嚴重,存盤量小且麻煩（導致運算時準備時間過長）

晶體管

  1. 貝爾實驗室發明
  2. 非常好用,解決了當時的大量問題（小、便宜、耗電小、可靠）

集成電路

  1. 小面積上放置大量晶體管

超級計算機(巨型機)

  1. 衡量經濟實力和科技水平的重要標志

計算機劃代(依據物理器件)

  1. 真空電子管（46～57）
    主要用于科學計算
  2. 晶體管（58～64）
    體積大大減小,為廣泛應用創造了條件
  3. 集成電路（65～70）
  4. 微處理器、大規模集成電路VLSI（97～今）

摩爾定律

當價格不變時,集成電路上可容納的晶體管的數目,約每隔24個月便會增加一倍(后修訂為18個月)

其他版本：

  • 芯片集成的電路數目翻一番
  • 微處理器性能提高一倍,或價格下降一半
  • 同美元電腦性能翻一番（經濟學摩爾定律）

目前摩爾定律即將終結,因為集成度已難以提升

未來計算機

(以下均處于研發程序中,暫未發展為通用計算機)

量子計算機

遵循量子力學規律

生物計算機

利用蛋白質有開關的特性

光子計算機

由光信號進行操作

計算機系統的構成

(此處缺圖)

計算機硬體系統

主板

計算機硬體的核心載體

主板上最重要的構成組件是芯片組:

  • 北橋芯片 CPU和記憶體資料互動
  • 南橋芯片 連接外設與主機

CPU(中央處理器)

計算機的大腦、中央核心部分

提供運算的功能

主要由運算器和控制器和暫存器組組成

存盤器

計算機的記憶裝置

用于保存資訊、存盤資料

按用途分為主存盤器(記憶體)和輔助存盤器(外存)

記憶體主要分為ROM、RAM和Cache:

ROM

只讀存盤器

電源中斷后資訊不會消失或受到破壞

常用來存放重要的、經常用到的程式和資料(監控程式)

RAM

隨機存盤器

用于暫時存盤程式、資料和中間結果

Cache

高速緩沖存盤器

用于緩和CPU和記憶體速度不匹配

外存通常是磁性介質或光碟介質,包括:

硬碟

磁存盤介質

由涂有磁性材料的鋁合金圓盤組成

存盤容量大、單位容量成本低、速度快、支持隨機存盤,但不易攜帶用作檔案傳送

固態盤

采用電路存盤

U盤

非易失存盤器,通過USB介面即可擦寫,可以隨機存取,具有存取速度快、體積小、存盤容量大等優點,但是其穩定性還不是很好,滿足不了永久保存所要求的可靠性

軟盤

已被淘汰

磁帶

磁存盤介質

存盤容量大、單位容量成本高、速度慢、只能順序存盤

PC機一般不用

光碟

激光存盤介質

存盤容量相對較大、單位容量成本低、速度較快、支持隨機讀取、保存時間長、容易攜帶用作檔案傳送,但不能重復寫

即將被淘汰

輸入設備

用于把原始資料和處理這些資料的程式輸入計算機

輸出設備

計算機硬體系統的終端設備,將處理結果回傳給外部

電源

提供能量的核心

總線

計算機系統各部件之間傳輸地址、資料和控制資訊的通道

一組導線和相關控制、驅動電路的集合

分類：

  • CPU總線
  • 系統總線
  • 外設總線
  • USB總線

計算機軟體系統

計算機軟體是指能指揮計算機作業的程式與程式運行時所需要的資料,以及與這些程式和資料有關的文字說明、圖表資料的總和,是一種邏輯物體

計算機程式是指為了得到某種結果可由計算機等具有資訊處理能力的裝置執行的代碼化的指令序列,或者可以被自動轉換成代碼化指令序列的符號化指令序列(或符號化陳述句序列)

系統軟體

管理、監控和維護計算機硬體資源,擴充計算機功能,提高計算機效率的各種程式

作業系統是一個管理計算機硬體和軟體資源的程式,同時也是計算機系統的內核與基石

功能:

  1. 程式管理
  2. 檔案管理
  3. 存盤管理
  4. 設備管理

應用軟體

專門為某個應用目的而編制的軟體,以提供某種特定的功能

軟體發展

早期

面向批處理

有限的分布

自定義軟體

第二階段

多用戶

實時

資料庫

軟體產品

第三階段

分布式系統

嵌入"智能"

低成本硬體

消費者影響

第四階段

強大的桌面系統

面向物件技術

專家系統

人工神經網路

并行計算

網路計算機

軟體危機

成本和進度估計不準確

用戶不滿意

Bug一大堆,Patch一個接一個

可維護性非常低

沒有適當檔案

成本不斷提高

生產率的提高趕不上硬體發展和人們需求增長

解決途徑 —— 軟體工程:

應用計算機科學、數學以及管理科學等原理,以工程化的原則和方法制作軟體的工程

軟體生命周期

  1. 問題定義
  2. 可行性研究
  3. 需求分析
  4. 總體設計
  5. 詳細設計
  6. 編碼和單元測驗
  7. 綜合測驗
  8. 軟體維護

計算機的作業原理

現代計算機的模型源于圖靈機

圖靈機

一種抽象計算模型,將人們使用紙筆進行的數學運算的程序進行抽象,由一個虛擬的機器代替人們進行數學運算

一個按照確定、有限的規則和步驟,將輸入資訊經過變換后給出輸出資訊,并在遇到停止狀態時就結束作業的系統

計算的本質是符號變換:

  • 從一個符號串f經過一定的規則變換成另一個符號串g
  • 按確定的、有限的規則和步驟(演算法),將輸入轉換為輸出的程序

圖靈從理論上證明了通用計算機存在的可能性,奠定了通用計算機的理論基礎

若干簡單圖靈機的合并可以構造出復雜的圖靈機,人也可以抽象為圖靈機模型

不是所有的問題都是可以計算的,任何不能被圖靈機解決的問題(不能設計出演算法)都是不可計算問題:

  • 在有限步驟內無法解決
  • 過于復雜而不能在可接受范圍內解決

構成:

  • 無限長紙帶TAPE
  • 讀寫頭HEAD
  • 控制規則TABLE
  • 狀態暫存器

要素:

  • 輸入集合
  • 輸出集合
  • 內部狀態
  • 固定的程式

運作:

(依據狀態轉移表)

  1. 讀取當前格
  2. 改寫當前格(也可不寫)
  3. 讀寫頭位置變化(也可不變)
  4. 當前狀態變化

作業條件:

  • 輸入帶符的集合
  • 內部狀態的集合
  • 一組控制規則

表示:

{Q,Σ,δ,B,H}

  • Q:有窮個狀態集合
  • Σ:輸入符號的集合
  • δ:控制規則集合
  • B:初始狀態,B∈Q
  • H:停機狀態,當控制器內部狀態為停機狀態時,結束計算,H∈Q

現代計算機基本作業原理都是圖靈機:

  • 存盤器 —— 紙帶
  • 運算器 —— 讀寫頭
  • 程式 —— 規則

圖靈機可以模擬計算機,但是計算機難以模擬圖靈機

馮·諾依曼結構

針對硬體

現代計算機均為馮諾依曼計算機

要點:

  1. 二進制
  2. 順序執行(存盤程式控制原理)
  3. 五大模塊

局限性：

  • CPU與存盤器有大量的資料互動,造成總線瓶頸
  • 即使有關資料已經準備好,也必須逐條執行指令序列
  • 資料傳輸都要經過運算器,特別是非數值資料處理效率低

img

算術邏輯單元ALU(核心)

運算器

對資料進行處理和運算,執行指令

控制單元CU

控制器

實作指令的自動裝入和自動執行

存盤單元SU

儲存器

包括記憶體和外存

允許的指令和資料進入記憶體才能使用CPU

輸入設備Input

鍵盤、滑鼠等

輸出設備Output

顯示幕、列印機等

總線BUS

資訊通道

分類:

  • 資料總線Data
  • 地址總線Address
  • 控制信號總線Control signal

哈佛結構

對馮諾依曼結構的改進,核心變為存盤器

特點：

  • 指令和資料分別存在兩個獨立的存盤器模塊中
  • CPU與存盤器間指令和資料傳送分別采用兩組獨立的總線

計算機的啟動

  1. 加電
  2. BIOS自檢(檢查計算機硬體能否滿足運行的基本條件)
  3. 執行系統引導
  4. 加載內核、啟動系統服務
  5. 登錄系統界面

計算機的計算原理

計算機最本質的運算是數學運算,計算機的全部作業就是執行程式的程序

計算機能解題是因為存在機器語言,機器語言是由一條條陳述句構成的,每條陳述句又能準確表達某種語意.既能理解人的意圖,又能被機器自身識別

計算機指令

通常把指示計算機進行某項作業的命令稱為指令,而為完成某個任務的若干條指令的有序集合稱為程式

對計算機進行控制的最小單位

由操作碼和地址碼兩部分組成,操作碼用于說明指令的功能,地址碼用于說明操作指令的物件

指令周期:

  1. 取指令
  2. 分析指令(指令譯碼)
  3. 讀取運算元
  4. 執行指令
  5. 存放結果
  6. 指令計數器PC增一

指令執行方式:

順序執行:

一條指令執行完了再執行下一條指令 $ T=3n\Delta t $

并行執行:

同時執行兩潭訓多條指令，效率更高但復雜度更高 $ T=3\Delta t+(n-1)t $(流水線原理)

加速比:

$ S={順序執行花費的時間 \over 并行執行花費的時間} $

理想情況 $ S={3n \over 2+n} $

易錯習題

資料存盤要求容量大、成本低、長期存盤、技術成熟、便于攜帶、訪問速度快,常使用的介質是( )

A、 U盤

B、 硬碟

C、 光碟

D、 磁帶

答案:

C

決議：

硬碟、磁帶、光碟、U盤都是外部存盤設備.其中,硬碟、磁帶分屬磁存盤介質,光碟屬于激光存盤介質,U盤以閃存芯片為存盤介質.硬碟存盤容量大、單位容量成本低、速度快、支持隨機存盤,但不易攜帶用作檔案傳送.磁帶存盤容量大、單位容量成本高、速度慢、只能順序存盤.U盤是非易失存盤器,通過USB介面即可擦寫,可以隨機存取,具有存取速度快、體積小、存盤容量大等優點,但是其穩定性還不是很好,滿足不了永久保存所要求的可靠性.光碟的存盤容量相對較大、單位容量成本低、速度較快、支持隨機讀取、保存時間長、容易攜帶用作檔案傳送,但不能重復寫.

關于高速緩沖存盤器(Cache)的描述,( )是錯誤的

A、 Cache是介于CPU和記憶體之間容量小、速度快的存盤器

B、 Cache容量越大,處理器的效率越高

C、 Cache用于解決CPU和RAM之間的速度沖突問題

D、 Cache的功能是提高CPU資料輸入輸出的速率

答案:

B

決議:

Cache主要采用sRAM技術,其存取速度較RAM要快.依照存盤器系統結構,Cache介于CPU和RAM之間,用于解決CPU的速度過快和RAM速度過慢的矛盾,充分發揮CPU的性能.具體技術是,Cache中存放在RAM中頻繁被CPU使用資料的備份,CPU先訪問Cache中的資料,如果沒有訪問到(未命中),再訪問RAM.然而,如果Cache容量過大,也會大量消耗CPU資源.

計算機多層次存盤系統是由( )共同組成的存盤系統

A、 Cache、RAM、ROM、磁盤

B、 Cache、RAM、ROM、輔存

C、 閃存、輔存

D、 RAM、ROM、軟盤、硬碟

答案:

B

決議:

為發揮不同種類存盤器各自的優勢,提高存盤器系統的性價比,把各種不同存盤容量、存取速度和價格的存盤器按層次結構組成多層存盤器系統,并將其有機組合成一個整體,使所存放的程式和資料按層次分布在各層中.主要采用3級結構,分別由高速緩沖存盤器(Cache)、主存盤器(RAM、ROM)和輔助存盤器(簡稱輔存)組成

( )是代表CPU執行速度的單位

A、 Mbytes

B、 bps

C、 CPS

D、 Hz

答案:

D

決議:

頻率是CPU的主要技術指標之一.頻率越高,CPU速度越快.CPU頻率指標分為主頻、外頻和倍頻.其中,主頻是CPU內核的作業頻率,外頻是系統總線的作業頻率(即基準頻率),倍頻是主頻與外頻的倍數關系.頻率的最小單位為Hz,依次還有kHz、MH2、GHz、TH2……其中,1kHz=1000Hz,1MH2z=1000kHz,以此類推.

依據程式存盤原理,程式和資料在存盤器中以( )的格式存盤.

A、 不同

B、 機器要求

C、 程式要求

D、 相同

答案:

D

決議:

依據程式存盤原理,資料和指令都采用二進制形式表示和存盤.在執行程式和處理資料時,先將程式和資料從外存裝入記憶體中,然后按指令順序逐條執行.

指令是計算機執行的最小功能單位,是計算機軟硬體聯系的紐帶,下列關于指令說法正確的是( )

A、 指令操作碼的長度必須固定不變

B、 指令由操作碼和地址碼兩部分組成

C、 不同指令的長度可以不同

D、 指令操作碼只能給出指令的運算元地址

E、 指令的功能是由指令的長度決定的

答案

BC

決議

指令由操作碼和地址碼兩部分組成,指令長度等于操作碼長度、地址碼長度之和.指令長度與計算機字長有關,如半字長指令、單字長指令、雙字長指令分別代表指令長度是計算機字長的1/2、1倍、2倍.在指令系統中,如果所有指令是等長的,則稱為等長指令結構;如果各指令長度因功能而異,則稱為變長指令結構.

( )都屬于不可擦寫存盤介質

A、 CD-ROM

B、 RAM

C、 ROM

D、 EPROM

E、 EEPROM

答案

AC

決議

RAM是隨機存盤器,CD-ROM是光碟只讀存盤器,ROM是只讀存盤器,EPROM是可擦可編程只讀存盤器,EEPROM是電擦除可編程只讀存盤器.CD-ROM,ROM都屬于不可擦寫只讀存盤器.

這里是浙江理工大學22屆ACM集訓隊的成員一枚鴨!

本文首發于博客園，作者：星雙子，除了我自己的轉載請注明原文鏈接：https://www.cnblogs.com/geministar/p/CS101_1.html

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qita/538718.html

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    1. 下載Halcon17版本到到本地 2. 雙擊安裝包后 3. 步驟如下 1.2 Halcon軟體安裝 界面分為四大塊 1. Halcon的五個助手 1) 影像采集助手：與相機連接，設定相機引數，采集影像 2) 標定助手：九點標定或是其它的標定，生成標定檔案及內參外參，可以將像素單位轉換為長度單位 ......

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  • 在MacOS下使用Unity3D開發游戲

    第一次發博客，先發一下我的游戲開發環境吧。 去年2月份買了一臺MacBookPro2021 M1pro(以下簡稱mbp)，這一年來一直在用mbp開發游戲。我大致分享一下我的開發工具以及使用體驗。 1、Unity 官網鏈接： https://unity.cn/releases 我一般使用的Apple ......

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