学习方法以及计算机硬件基础,初探计算机

 

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小熊:计算机里藏着什么呢?
小燕:星辰大海。
小狸:好吃的。

第1章 学习方法及工具

现在计算机大多是冯.诺依曼计算机的组织结构,虽有些改进,但还没超出冯·诺依曼型结构。那冯·诺依曼结构是什么呢?

1.1 学习方法

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1945年,冯·诺依曼提出了“存储程序”的概念,把程序本身当作数据来对待,程序和该程序处理的数据用同样的方式存储,确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。后来,人们把利用这种概念设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼型结构”计算机。

1.2 学习工具

“冯·诺依曼型结构”计算机有五大组成部分:
–运算器+控制器(CPU),存储器(内存),输入设备,输出设备。

1.2.1 笔记类

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CPU

CPU 即 Central Processing Unit (中央处理器)
相当于计算机的大脑,是计算机的运算核心和控制核心。它的内部由数百千万乃至数亿个晶体管构成,可以让计算机的各个部件顺利工作,起到协调和控制作用。

CPU
从外部看是由许多晶体管组成的电子部件,好像没什么区别。不过从功能方面来看,CPU
的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部件组成。

寄存器可用来暂时储存指令、数据等处理对象,根据种类不同,又可以分为
eax、ebp 等若干种,一个 CPU 内部又包含20~100个寄存器。

控制器将内存上的指令、数据等读入寄存器,根据指令的执行结果来控制计算机。

运算器负责运算从内存读取至寄存器的数据。

时钟负责发出 CPU 开始计时的时钟信号。

CPU
运行时,根据时钟信号,控制器从内存读取指令和数据。通过对这些指令加以解释运行,运算器则对数据进行运算,控制器再根据运算结果来控制计算机。

1.2.2 图像类

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图像处理类:Picpick

存储器

存储器是具有“记忆”功能的设备,能存取各种数据。根据与 CPU
的接近程度,存储器分为内存储器和外存储器,简称内存和外存。内存属于主机的组成部分,而外存属于外部设备,如硬盘。

内存:负责硬盘等硬件上的数据与CPU之间数据交换处理;
缓存系统中的临时数据。需要注意的是,内存断电后数据会丢失。

硬盘:存储资料等数据的设备,其容量大,造价便宜,而且断电后数据不会丢失。


1.2.3 博客

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计算机里 CPU 与内存、硬盘是怎样的关系?

让我们来看一个例子,编写一个程序,将 123 和 456
两个数值相加,并将结果输出到显示器上。

int a;
a = 123 + 456;
printf("%d",a);

当我们运行程序的时候,CPU 取指令,之后 CPU
告诉硬盘,我要运行你存储的程序A,你把程序A送到内存去。CPU
对内存说,我让硬盘把程序A送到你这里来了,你保存一下。
等程序A被完整的送到内存之后。CPU 就开始执行程序A。

过程就像上面说的,我们举一个接近我们生活的例子。

如果说把硬盘看作一个大仓库,CPU
是加工车间,那么内存就是一个临时仓库。从距离上来说, 相比内存到 CPU
的距离和硬盘到内存的距离,内存和 CPU
的距离更短。所以先将常用的材料放在临时仓库,即用即取。如果需要的材料在临时仓库没找到,就向大仓库抽调,将材料从大仓库移到临时仓库去,之后才将材料从临时仓库送到加工车间加工。这个过程中,材料会存放在临时仓库一段时间,以防再次抽调,节约时间和资源。

让我们再深入一点,看看 CPU 是如何统筹控制的。

依上言,存储指令和数据的内存是通过地址来划分的。CPU
的核心是一个被称作程序计数器(PC)的字大小的储存器。在任何一个时间点上,PC
都指向内存种的某条指令。一个指令和数据通常被储存在多个地址上,但为了方便说明,下图将指令、数据分配在一个地址种。

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地址 0100
是程序开始的地方。计算机将程序从硬盘读入内存,计数器定位程序至地址
0100。CPU 每执行一个指令,程序计数器的值就会自动加1。之后,CPU
的控制器依值读取执行命令。

从计算机通电开始,CPU 一直在不知疲倦地重复执行相同的操作:从 PC
指向的存储器读指令,分析解释指令中的操作码和操作数,执行指令指示的操作,然后更新程序计数器,使之指向下一条指令,重复操作。


第2章 计算机硬件与组成原理基础

计算机各部件又是怎么连接起来的?

贯穿整个系统的是一组电子管道,称作总线。它负责在各个部件间传递信息。I/O
(输入/输出)设备则是系统与外界沟通的通道。如我们常见的输入设备是鼠标、键盘,输出设备则是显示器。每个
I/O 设备都是通过一个控制器或适配器和 I/O 总线连接起来的。

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首先,CPU
执行程序指令,等待我们输入数据。当我们在键盘键入字符串,如“hello
world”,程序逐一读取字符到寄存器,再把它存放在主存储器中。

当我们敲下回车键时,程序知晓输入结束。然后系统执行一系列指令,这些指令将数据从磁盘拷贝到内存,从而执行指令。数据最终将被输出至显示屏,打印出“hello
world”。

永利集团304com,至此,计算机主要部件功能及联系介绍完毕。有些不全面的地方,下次分部件深入介绍内部结构。

2.1 计算机硬件的组成

2.1.1 理论

2.1.1.1  图灵机理论

 

 

图灵机,又称图灵计算、图灵计算机,是由数学家艾伦·麦席森·图灵(1912~1954)提出的一种抽象计算模型,即将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象,由一个虚拟的机器替代人们进行数学运算。

所谓的图灵机就是指一个抽象的机器,它有一条无限长的纸带,纸带分成了一个一个的小方格,每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态,还有一些固定的程序。在每个时刻,机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息,然后结合自己的内部状态查找程序表,根据程序输出信息到纸带方格上,并转换自己的内部状态,然后进行移动。

 

2.1.1.2  冯·诺依曼体系

 

 

美籍匈牙利数学家冯·诺依曼于1946年提出存储程序原理,把程序本身当作数据来对待,程序和该程序处理的数据用同样的方式储存。
冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼理论的要点是:计算机的数制采用二进制;计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构。

 

 

2.1.2 计算机硬件的组成

计算机硬件一般有控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。

2.1.2.1  控制器

A、计算机控制器是计算机的神经中枢,指挥全机中各个部件自动协调工作。在控制器的控制下,计算机能够自动按照程序设定的步骤进行一系列操作,以完成特定任务。

 

B、控制器内部的主要部件如下:

①指令寄存器:存放由存储器取得的指令。

②译码器:将指令中的操作码翻译成控制信号。

③时序节拍发生器:产生时序脉冲节拍信号,使计算机有节奏、有次序地工作。

④操作控制部件:将控制信号组合起来,控制各个部件完成相应的操作。

⑤指令计数器:计算并指出下一条指令的地址。

 

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