「计算机发展史」计算机的发展历史，原理，及运行

计算机发展史

本文来自我的博客apeit-程序猿IT

概述

从1946第一台通用计算机ENIARC诞生, 短短70几年，已经非常普及和强大了，几乎渗透到各个领域了。从一座房子大小到掌上电脑的微型。从简单的计算到复杂的人工智能。计算机在引领着时代的潮流。

计算机的前世今生

感觉计算机的横空出世是不是惊呆了，但是看它的发展历史，其实创新就是在原有的基础上进行加工推进，并非完全的无中生有。

计算机前世：计算加数及减数的机械计数机-》精确至12位的计数器-》解决差分程序计数机-》16位加数器-》复杂数字计数机-》ABC计算器-》ENIAC

据传ENIARC的发明者之一莫克利在阿坦纳索夫家（ABC）借住5天，借此机会盗取了研究成果及想法，之后和埃克特一起制造了“ENIAC”。

第一台电子计算机ABC（Atanasoff-Berry Computer）阿塔纳索夫-贝瑞计算机

第一台通用计算机ENIARC（Electronic Numerical Integrator And Computer）。

计算机出现的原因，战争的需要，美国“弹道研究实验室”需要大量进行计算，催生了超强计算能力的计算机。

ENIARC每秒能进行5000次加法运算（据测算，人最快的运算速度每秒仅 5次加法运算），每秒400次乘法运算。是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。

计算机原理

**冯诺依曼体系 **

存储程序原理：把程序当做数据对待，程序和该程序处理的数据以同样的方式存储起来。
cpu按照指针加载数据，数据有描述符记录着这个内存段的访问权限（可读，可写，可执行），从描述符就可以知道是指令还是数据。
存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元数固定是8bit位。
计算机的数制采用二进制
程序按顺序执行
指令由操作码和地址组成的。操作码指明指令的操作类型，地址码表明操作数和地址。操作数本身无数据类型标志，它的数据类型是由操作码决定。
指令的执行直接发出控制信号，控制器控制计算机的操作。指令在存储器是按其执行顺序存放的，由指令计数器指明指令所存放的单元地址，指令计数器只有一个，一般按顺序递增。但执行顺序可按运算结果和外界条件而改变。
运算器为中心，I/O设备与存储器的数据都要经过运算器

计算机硬件五大件：
输入数据和程序的输入设备
记忆程序和数据的存储器
完成数据加工处理的运算器
控制程序执行的控制器
输出处理结果的输出设备

CPU（Central Processing Unit）中央处理器

CPU（Central Processing Unit）中央处理器: 是一块超大规模的集成电路（integrated circuit），是一台计算机的运算核心和控制核心，主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

构成：运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit），控制器（control unit），寄存器（内部存储器），缓存。

算术逻辑运算单元（ALU）：的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。

计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。

控制器：主要负责指令译码，并且发出为完成指令所要执行的各个操作的控制信号。

寄存器（内部存储器）：暂存指令，数据，地址。CPU对存储器中的数据进行处理时，往往先把数据取到内部寄存器中，而后再作处理。

缓存（高速缓冲存储器）：介于cpu和内存之间的一级存储器。存放由内存调入的指令和数据。

cpu比内存快的多。

任何层次不能很好的协同处理，那么加中间层。cpu缓存介于cpu和内存中间。

cpu对内存地址编址，只能是扁平化的，平面化地址结构。它的编址必须容纳所有的内存空间。类似key-value。

32位的cpu是指：cpu数据存储能力一次是32位。

32根线，通电是1，不通电0，2^32次可能。

32位的cpu的寻址能力= 2^32次 = 4GB。所以32的cpu最多支持4GB内存。

例如：加法。先取一个数放到寄存器，取操作符放到寄存器，再取要加的数据，最后进行运算。

cpu支持的指令的所有的集合叫做指令集。普通指令，对其他人没有影响。特权指令，影响到其他人的。

指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。

程序运行步骤：

程序和数据放在磁盘上，启动。
将数据和程序存储到内存中
cpu从内存或者高速缓存器取出指令
cpu取出指令，放入寄存器，并对指令进行译码。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片段。根据CPU的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。
将指令分解为一系列微操作，然后发出各种控制指令，执行微操作系列，从而完成指令的执行。
进行计算

计算机的性能在很大程度上由CPU的性能决定，而CPU的性能主要体现在其运行程序的速度上。影响运行速度的性能指标包括CPU的工作频率、Cache容量、指令系统和逻辑结构等参数。

主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。通常，主频越高，CPU处理数据的速度就越快。

主频3GHZ：在1秒钟内，能做3GHZ（3亿多次）次的操作。

存储器：内存，RAM(Random Access Memory)

加速和提升cpu

cell:存储单元，固定8 bit位（8位二进制）。bytes字节（8 bit）是最小存储单位。

指令和数据都存放在内存中。

cpu本身也有存储设备(寄存器)，但是太小。

计算机接口

计算机就是由硬件和软件组成。

硬件接口:

机器语言：二进制指令，二进制数据

硬件接口只保留最底层的功能，非常简陋，基础的。因此保持了最大的通用性。用硬件的接口去直接实现复杂逻辑功能是非常麻烦的，而且是固化的。

软件接口：

给用户使用最好是傻瓜式的，高级的，易用的。

软件通过调用硬件的接口，来实现各种复杂的高级功能。

提供的工具越接近最终形态，适用的范围越窄。越底层，适用范围越广，可操作性越强。

软件：

机器语言：二进制指令，二进制数据

汇编语言：低级语言；（汇编器：语言转换）

写驱动程序

几乎每种芯片都会提供汇编语言接口，它们紧密相连，所以通用性很差，使用另一种芯片又需要重新学习接口。

高级语言：

（编译器->汇编器）

系统级：C，C++

操作系统，对性能要求较高的服务类程序

应用级：java, python，php

应用程序：ansible,puppet…

程序员写的程序水平代码，编程语言。

高级语言-》编译器-》汇编语言-》汇编器-》机器语言-》计算机运行。

高级语言：离人较近，人易懂，学习容易，但是机器执行效率较低，最高级人类语言。

低级语言离机器较近，机器容易执行，执行效率高，最低级二进制。

应用：

linux运维：linux生态圈中的各应用程序应用。

shell脚本编程：让某些应用工作能自动完成。

python：专业编程语言；

ansible,openstack

DevOps：

Development 研发

Operations 运维

操作系统的前世-监控程序

计算机执行指令方式：

第一阶段：人与计算机交互。人手动输入指令，读取指令。

第二阶段：人将指令写入磁带，然后将磁带与机器交互。任务单一执行。

第三阶段：多任务，一个计算机运行多个任务。

人输入-》计算机-》输出给人。计算机运行很快，人这一环节是最慢的。

人输入-》磁带-》计算机-》输出给人。

远古时代：程序员查看芯片的说明书写程序，不同芯片接口不同，代码不能通用。

通用程序，专用程序。

通用程序：让底层硬件能够基本工作起来的驱动程序。最后发展为操作系统。

专用程序：解决具体任务。

计算机硬件是没有计算操作能力，所以需要I/O设备。

程序：

指令 + 数据

算法 + 数据结构

硬件本身没有任何程序。计算机器本身没有任何指令。输入输出设备：硬盘。输入设备：键盘。输出设备：显示屏。

过程式编程语言：

顺序执行，循环执行，选择执行

cpu 单任务的系统。

cpu 比内存快，cpu大量时间处于空闲的。是否能够让cpu满载。

cpu 进行时间分片，任务分批。轮流执行。

多任务：

内存分片

cpu时间切割

监控程序：为其他程序提供公平的运行环境。

延伸

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