计算机是怎样跑起来的

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Feb 3, 2022
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原理
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从硬件上来看, 可以说计算机是执行 输入->运算->输出 三种操作的机器。
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第一章 计算机的三大原则

问答:
  • 硬件和软件的区别是什么?
    • 硬件指的是看得见摸得着的设备,软甲是计算机所执行的程序,即指令和数据。
  • 储存字符串 “中国” 需要几个字节?
    • 在 GBK(汉字编码字符集)字符编码下,需要4个字节,在UTF-8(万国码)字符编码下需要6个字节。
  • 什么是编码?
    • 通常将为了便于计算机处理而经过数字化处理的信息称作编码。
    • 计算机内部会把所有的信息都当成数字来处理。

计算机的三个根本性基础

  1. 计算机是执行 输入->运算->输出 的机器。
  1. 程序是指令和数据的集合(指令+数据=程序)。
  1. 计算机的处理方式有时与人们的思维习惯不同。

输入->运算->输出是硬件的基础

从硬件上来看, 可以说计算机是执行 输入->运算->输出 三种操作的机器
  • 计算机的硬件由大量的IC(集成电路)组成。
  • 每块IC上都带有许多引脚,这些引脚有的用于输出、有的用于输入。
  • IC会在对外部输入的信息进行运算,并把运算结果输出到外部。
  • 无论多复杂的功能,都是通过组合一个有一个由输入->运算->输出构成的流程单位实现的。
拓展:
  • 芯片是“集成电路”的俗称。
    • 集成电路分别有模拟和数字。
    • 模拟+数字=数模混合集成电路。
  • CPU(中央处理器)= 运算器 + 控制器,CPU是数字芯片,只是众多芯片的一类。

软件是指令和数据的集合

  • 所谓指令,就是控制计算机进行输入、运算、输出的命令。
  • 程序中的数据分为俩类:
    • 作为指令执行对象的输入数据。
    • 从指令的执行结果得到的输出数据。
  • 在一般的编程过程中,都要先编译再执行。
  • 无论是那个程序,其内容都是数值的罗列,每个数值要么是指令,要么是数据。
  • 对计算机来说什么都是数字

第二章 试着制造一台计算机

在 IC 家族当中有各种各异的 IC, 但这里只需要记住三种:CPU、内存、I/O
  • CPU: 计算机的大脑,在其内部可对数据执行运算并控制内存和I/O。
  • 内存: 用于存储指令和数据。
  • I/O: 负责把硬件设备和主机连接在一起,实现数据的输入输出。
晶振:一种利用石英晶体的 压电效应 产生高精度震荡频率的电子元件。
只要用电路把CPU、内存以及I/O上的引脚相互连接起来,再为CPU提供时钟信号,硬件上的计算机就组装起来了。 所谓时钟信号就是由含 晶振的, 被称作时钟发生器的元件发出的滴答滴答的电信号。
计算机单位 (1)
名称
单位换算
...
问答
  • Hz是表示什么单位?
    • Hz(赫兹)是频率的单位。
      • 频率单位的换算是10的几次幂
      • 内存单位的换算是2的几次幂
    • 通常用Hz来表示驱动CPU运转时钟信号的频率。
    • 一秒发出一次时钟信号就是1Hz。
  • Z80 CPU是多少比特(bit)的CPU?
    • 是8比特的CPU。
      • CPU上的数据 总线 的条数或者CPU内部参与运算的寄存器的容量,都可以作为衡量CPU性能的比特数。
        • 总线(Bus):
          • 指计算机组件间交换数据的方式,即以一种通用的方式为各组件提供 数据传送和控制逻辑
          • 这些线路在同一时间内都能负责传输一个比特。
          • 因此,必须同时采用多条线路才能发送更多数据,而总线可同时传输的数据数就称为宽度,
          • 以比特为大内,总线宽度越大,传输性能就越佳。
          • 总线的带宽(即单位时间内可以传输的总数据数)为:总线带宽=频率*宽度(bytes/sec)

制作微型计算机所必需的元件(下图3)

  • CPU:计算机的大脑,负责解释、执行程序
  • 内存:负责存储程序和数据
  • I/O:负责将计算机和外部设备连接在一起
  • 辅助元件:
    • 时钟信号:(下图1)
      • 这种电信号就好像有一个时钟,滴答滴答的每隔一定时间就变换一次电压的高低
      • 时钟信号的频率可以衡量CPU的运转速度
    • 通过指拨开关输入一个简单的程序(下图2)
    • 电阻:电阻是用于阻碍电流流动、降低电压值的元件,电阻的单位是Ω(欧姆)
    • 电容:是存储电荷的元件,衡量存储电荷能力的单位是F(法拉)
    • 5V(伏特)的直流电源是必不可少的
    • 开关式稳压电源:将220V的交流电变成5V的直流电
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