1946 年美国宾州大学研制成功第 1 台数字电子计算机-ENIAC。

冯∙诺依曼提出“存储程序控制”原理：

程序和数据必须从外存调入内存，再交给 CPU。

计算机发展的四个阶段

1. 第一代电子管计算机时代（1946-1958）：真空电子管，使用机器语言或汇编语言。
2. 第二代晶体管计算机时代（1959-1964）：晶体管，出现高级程序设计语言。
3. 第三代中小规模集成电路计算机时代（1965-1970）：中小规模集成电路，操作系统和数据库系统出现。
4. 第四代大规模集成电路计算机时代（1971-至今）：大规模和超大规模集成电路，网络技术，多媒体技术等出现。

计算机的分类：

1. 按照计算机的工作原理：数字式电子计算机、模拟式电子计算机、数字模拟混合式电子计算机。
2. 按照计算机的用途：通用计算机、专用计算机。
3. 按照计算机的性能（规模）划分：巨型机（“神威”、“天河”系列等）、小巨型机、大型机、小型机、工作站、个人计算机（PC）、嵌入式计算机（核心是 SoC 片上系统）。
4. 按主机外型：台式、便携式。
5. 按中央处理器的字长分：8 位、16 位、32 位、64 位等。

计算机的特点：

运算速度快、运算精度高、存储容量大、可靠性高、能进行逻辑判断、支持人机交互
等。

计算机的应用领域：

科学计算、信息处理、计算机辅助技术（辅助设计 CAD;辅助制造 CAM、辅助教
学 CAI、辅助测试 CAT、办公自动化 OA）、过程控制、人工智能、网络应用、多媒体等。

计算机系统是由硬件系统和软件系统组成。

硬件主要由五大部件构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，它们通过总线相互连接。
如下图所示

CPU

即中央处理器，由运算器（ALU）、控制器(CU)和寄存器组（GPR）构成用于执行系统软件和应
用软件的处理器称为 CPU，CPU 是计算机必不可少的核心组成部件。
运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件 (ALU)，参加 ALU 运算的操作数通
常来自通用寄存器 GPR ，运算结果也送回通用寄存器 GPR。

1. 运算器（ALU）:对数据进行算术运算、逻辑运算等。
2. 控制器（CU）:控制单元，取出指令并保存，解释指令的功能，由此产生控制各部件工作的信号，执行指令。

啥是多核

使用双核(或多核)处理器的 PC 机中，是几个 CPU？集成在一块芯片上，物理上只有一个，逻辑上是
两（或多）个。

CPU的功能

CPU 的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作。

存储器分类

存储器是用于存储以二进位形式的程序和数据。分为内存器（主存）和外存器（辅存）。

内外存储存器的区别：

1. 存取速度：内存要快，外存相对要慢。
2. 存储容量：内存要小（2G,4G，8G 等），外存要大（256G,512G,1T 等）
3. 易失性：内存断电后消失，外存断电后保持。
4. 用途：内存存放启动运行的程序和需要立即处理的数据，外存长期存放计算机系统中所有信息
5. 与 CPU 关系统：CPU 从内存直接获得指令和数据进行处理，外存的程序和数据需要载入内存之后才能被 CPU 使用。

输入设备：

把信息送入计算机的设备（以二进制形式）。常用的输入设备：键盘，鼠标、扫描仪、麦克风等

输出设备：

将计算机中的信息输出的设备（文字、图形、图像、声音等）。常用的输出设备：显示器、
打印机、绘图仪、扬声器等。

总线

用于连接 CPU、内存、外存和各种 I/O 设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控
制电路。

1. CPU 总线（前端总线）：用于连接 CPU 和主存之间的总线。一般 CPU 总线的数据线条目为 CPU 位数。目前 CPU(i3/i5/i7/i9）都是 64 位。
2. I/O 总线：用于连接主存和 I/O 设备（包括外设）总线（目前使用的 PCI 和 PCI-E）
3. 总线组成：地址总线、数据总线、控制总线
   ①、数据总线用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，它既可以把 CPU 的数据传送到存储器或 I/O 接口等其他部件，也可以将其他部件的数据传送到 CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理器的字长相一致。
   ②、地址总线是专门用来传送地址的，由于地址只能从 CPU 传向外部存储器或：I/O 端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了 CPU 可直接寻址的内存空间大小。例如8 位微机的地址总线为 16 位，则其最大可寻址空间为 $2^{16}$
   =64KB；16 位微机的地址总线为 20 位，则其可
   寻址空间为 $2^{20}$=1MB。一般来说，若地址总线为 n 位，则可寻址空间为 2^n字节。
   ③、控制总线用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和 I/O 接口电路的，如读/写信号、片选信号、中断响应信号等；也有的是其他部件反馈给 CPU 的，如中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的。控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。
4. 总线带宽：
   ①、总线带宽指单位时间内总线上可以传输的最大的数据量。
   ②、总线带宽（MB/s）=（总线位宽/8）×总线工作频率（MHz）×每个总线周期数据传输的次数。

指令的存取

程序（指令）和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中。

程序执行流程：

程序运行时候，CPU 内存中一条一条取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。

指令和程序的关系

指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成。

指令的组成：

操作码和操作数（地址码）。操作码不可少，地址码可以没有。

1. 操作码：指出 CPU 应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除等
2. 操作数（地址码）：指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置

指令的执行过程：

取指令->指令译码->执行指令->保存

1. 取指令：CPU 的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器
2. 指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里
3. 执行指令：取出操作数并进行相应运算
4. 保存：运算结果的保存至寄存器，有时候也会保存至内存中。

指令系统：

CPU 可执行的全部指令称为该 CPU 的指令系统，即它的机器语言

程序兼容性

一般同一公司为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”开发新的处理器，即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。

不同架构

智能手机和平板电脑使用的是 ARM 架构的 CPU,和 PC 上的 CPU 的指令系统不一样，所在不兼容。

影响 CPU 性能的主要因素：

字长、指令系统、逻辑结构、高速缓存（Cache）、主频、内核数目等

1. 字长（位数）：指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）
2. 指令系统 ：指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度
3. 逻辑结构：CPU 包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等
4. 高速缓存（Cache）：高速缓存（cache）的容量与结构
5. 主频（CPU 内部时钟频率）：指 CPU 芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着 CPU 芯片内部数据传输与操作速度的快慢。主流高端 CPU 主频可以达到 3~4GHz，中低端可达到 2~3GHz。
6. 内核数：1 个、2 个、···、6 个、8 个甚至更多

字长：

指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）。字长都是字节的整数倍，以
前都是 32 位的，目前 CPU（i3/i5/i7/i9）都是 64 位处理器。

高速缓存（Cache）：

1. Cache 一般由 SRAM（静态随机存储器）芯片组成，存取速度快于主存，小于 CPU。容量越大，级数越多，效果越好。Cache 缓解了 CPU 和内存之间速度不匹配的问题。
2. 透明性：指 Cache 不能由程序或者程序员访问，不与主存统一编址。
3. 命中率：指的是 CPU 需要的指令或数据在 Cache 中直接找到的概率。
4. Cache 中的数据是主存中部分内容的映像（副本），数据调入 Cache 由 CPU 自行完成，无须人为干预。
5. Cache 技术是利用程序访问的局部性原理，把程序中正在使用的部分存放在一个高速的、容量较小的 Cache 中，使 CPU 的访存操作大多数针对 Cache 进行，从而大大提高程序的执行速度。

主频：

指 CPU 芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着 CPU 芯片内部数据传输与操作速度的快慢。

1. CPU 的工作频率（主频）=外频（总线的工作频率、主存的工作频率）×倍频因子，外频一般为100MHz、133MHz 、266MHz。
2. 主频越高，CPU 的速度越快。
3. 单位一般是 Hz。