benben's Blog

1、概念梳理

• CPU(Central Processing Unit)：中央处理单元，负责执行程序。通常由寄存器/控制单元/ALU/时钟组成。与RAM配合，执行计算机程序。CPU和RAM之间用“地址线”、“数据线”和“允许读/写线”进行通信。
  
  • 指令：指示计算机要做什么，多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令。
• 时钟：负责管理CPU运行的节奏，以精确地间隔，触发电信号，控制单元用这个信号，推动CPU的内部操作。
  
  • 时钟速度：CPU执行“取指令-->解码-->执行”中每一步的速度叫做“时钟速度”，单位赫兹Hz，表示频率。
  • 超频/降频：
    
    • 超频，修改时钟速度，加快CPU的速度，超频过多会让CPU过热或产生乱码。
    • 降频，降低时钟速度，达到省电的结果，对笔记本/手机很重要。
• 微体系框架：以高层次视角看计算机，如当我们用一条线链接2个组件时，这条线只是所有必须线路的抽象。

2、CPU工作原理

1)必要组件：

• 指令表：给CPU支持的所有指令分配ID
• 控制单元：像指挥部，有序的控制指令的读取、运行与写入。
  
  • 指令地址寄存器：类似于银行取号。该器件只按顺序通报地址，让RAM按顺序将指令交给指令寄存器
  • 指令寄存器：存储具体的指令代码。

2)过程

• 取指令：指令地址寄存器发地址给RAM-->RAM发该地址内的数据给指令寄存器-->指令寄存器接受数据
• 解码：指令寄存器根据数据发送指令给控制单元-->控制单元解码(逻辑门确认操作码)
• 执行阶段：控制单元执行指令(-->涉及计算时-->调用所需寄存器-->传输入&操作码给ALU执行)-->调用RAM特定地址的数据-->RAM将结果传入寄存器-->指令地址寄存器+1

3)图示：

0、课程导入

当玩游戏、写文档时如果断电，进度会丢失，这是为什么？

• 原因是这是电脑使用的是RAM(随机存取存储器)，俗称内存，内存只能在通电情况下存储数据。
• 本节课程将讲述内存的工作原理。

1、概念梳理

锁存器：锁存器是利用AND、OR、NOT逻辑门，实现存储1位数字的器件。
寄存器：1组并排的锁存器
矩阵：以矩阵的方式来存放锁存器的组合件，n*n门锁矩阵可存放n^2个锁存器，但同一时间只能写入/读取1个数字。(早期为16*16矩阵)

2、锁存器

作用：存储1位数字。
图示：

2.5、门锁

锁存器需要同时输入2个数字，不太方便。
为了使用更方便，只用1根电线控制数据输入，发展了门锁这个器件。另外，用另一个电线来控制整个结构的开关。(和复位作用不同)

3、寄存器

作用：并排使用门锁，存储多位数字
图示：

4、门锁矩阵

作用：
n*n的矩阵有n^2个位址，则可以存储n^2个数。但1个矩阵只可记录1位数字，n个矩阵组合在一起，才可记录n位数。如1个8位数，会按位数分成8个数，分别存储在8个矩阵的同一个位址中。
8个矩阵，则可以记录256个8位数字。

通俗理解：
16*16的门锁矩阵，可理解为1个公寓，1个公寓256个房间。
8个门锁矩阵并排放，则有了8个公寓。
规定每一个公寓同一个编号的房间，都有一样的标记(地址)，共同组成8位数字。
那么8个公寓就能存(8*256 /8)个数字。

原因：
16*16的门锁矩阵，虽然有256个位置，但每次只能存/取其中1个位置的数字。因此，要表示8位数字，就需要同时调用8个门锁矩阵。
图示：


使用方法：在多路复用器中输入位址，x行x列(2进制)，即可点亮x行x列的锁存器。

举例：

5、内存

粗略定义：将一堆独立的存储模块和电路看做

1、什么是算术逻辑单元

1. 命名：简称ALU，Arithmetic&Logic Unit
2. 组成：ALU有2个单元，1个算术单元和一个逻辑单元(Arithmetic Unit和Logic Unit)
3. 作用：计算机中负责运算的组件，处理数字/逻辑运算的最基本单元。

2、算术单元

1. 基本组件：
   
   • 由半加器、全加器组成
     
     • 半加器、全加器由AND、OR、NOT、XOR门组成
2. 加法运算
   
   1. 组件：AND、OR、NOT、XOR门
   2. 元素：输入A，输入B，输出(均为1个bit，即0或1)
3. 半加器
   
   • 作用：用于计算个位的数字加减。
     
     • 输入：A,B
     • 输出：总和，进位
       
       抽象：
       
       sum:总和 carry：进位
4. 全加器：
   
   • 作用用于计算超过1位的加法(ex: 1+1+1)，由于涉及进位，因此有3个输入(C充当进位)。
     
     原理图示：
     

3、如何用半加器与全加器做8位数的加法

说明：以8位行波加法器为例
1. 用半加器处理第1位数(个位)的加法，得到的和为结果的第一位。
2. 将输出的进位，输入到第2位用的全加器的输入C中。
3. 将第2位的2个数用全加器计算，得到的和为结果的第2位(sum)。
4. 将第2位计算的进位连接到百位的全加器输入C中。
5. 在第3-8位上，循环第3-4步的操作。
现在电脑上使用的加法器叫“超前进位加法器”

4、算术单元支持的其他运算

5、溢出的概念

内容：在有限的空间内，无法存储位数过大的数，则称为溢出。
说明：第8位的进位如果为1，则无法存储，此时容易引发错误，所以应该尽量避免溢出。

6、逻辑单元

作用：执行逻辑操作，如NOT、AND、OR等操作，以及做简单的数值测试。

7、ALU的抽象

1. 作用：ALU的抽象让工程师不再考虑逻辑门层面的组成，简化工作。
2. 图示：
   像一个大"V"。
   
3. 说明：
   图示内容包括：
   
   • 输入A,B
   • 输出
   • 标志：溢出、零、负数
     

1、二进制的原理，存储单元MB/GB/TB解释

1. 计算机中的二进制表示：

单个数字1或0,1位二进制数字命名为位(bit)，也称1比特。

2. 字节(byte)的概念：

1byte=8bit，即1byte代表8位数字。最早期的电脑为八位的，即以八位为单位处理数据。为了方便，将八位数字命名为1字节(1byte)。

3. 十进制与二进制的区别：

• 十进制有10个数字，0-9，逢10进1(不存在10这个数字)，则每向左进一位，数字大10倍。
• 二进制有2个数字，0-1，逢2进1，(不存在2这个数字)，则每向左进一位，数字大2倍。

4. 如何进行二进制与十进制联系起来：

• 将十进制与二进制的位数提取出来，编上单位：
  eg.二进制的 1011=1*2^0 + 1*2^1 + 0*2^2 + 1*2^3= 11（从右往左数）
  eg.十进制的 1045= 1*10^3 + 0*10^2 + 4*10^1 + 5*10^0

5. 十进制与二进制的图示：

十进制的263

二进制的10110111

6. 二进制的运算：

相同的位数相加，逢2进1

7. byte在电脑中的单位置换：

1byte=8bit
1KB=1024byte
1TB=1000GB
1GB=十亿字节=1000MB=10^6KB

2、正数、负数、整数、浮点数的表示

1. 整数：

表示方法：

• 第1位：表示正负。1是负，0是正（补码）
• 其余31位/63位：表示实数

2. 浮点数（Floating Point Numbers）：

定义：小数点可在数字间浮动的数（非整数）
表示方法：IEEE 754 标准下

用类似科学计数法的方式，存储十进制数值

• 浮点数=有效位数*指数
• 32 位数字中：第 1 位表示正负，第 2-9 位存指数。剩下 23 位存有效位数
• eg.625.9=0.6259（有效位数）*10^3（指数）

3、美国信息交换标准代码-ASCⅡ，用来表示字符

1. 全称：美国信息交换标准代码
2. 作用：用数字给英文字母及符号编号
3. 内容：7位代码，可存放128个不同的值
4. 图示

1、计算机为什么使用二进制：

1.计算机的元器件晶体管只有2种状态，通电(1)&断电(0)，用二进制可直接根据元器件的状态来设计计算机。
2.而且，数学中的“布尔代数”分支，可以用True和False(可用1代表True，0代表False)进行逻辑运算，代替实数进行计算。
3.计算的状态越多，信号越容易混淆，影响计算。对于当时每秒运算百万次以上的晶体管，信号混淆是特别让人头疼的。

2、布尔代数&布尔代数在计算机中的实现

1.变量：没有常数，仅True和False这两个变量。
2.三个基本操作：NOT/AND/OR。
3.为什么称之为“门”：控制电流流过的路径。

1)NOT操作：

1. 命名：称为NOT门/非门。
2. 作用：将输入布尔值反转。输入的True或False，输出的为False或True。
3. 晶体管的实现方式：
   
   • 半导体通电True，则线路接地，无输出电流，为False。
   • 半导体不通电False，则输出电流从右边输出，为True。
     

2)AND操作

1. 命名：AND门/与门
2. 作用：由2个输入控制输出，仅当2个输入input1和input2都为True时，输出才为True，2个输入的其余情况，输出均为False。可以理解为，2句话(输入)完全没有假的，整件事(输出)才是真的。
   
3. 用晶体管实现的方式：
   串联两个晶体管，仅当2个晶体管都通电，输出才有电流(True)
   

3)OR操作

1. 命名：OR门/或门
2. 作用：由2个输入控制输出，只要其中一个输入为True，则输出True。
   
3. 用晶体管实现的方式：
   使用2个晶体管，将它们并联到电路中，只要一个晶体管通电，则输出有电流(True)。
   

3、特殊的逻辑运算——异或

1. 命名：XOR门/异或门
2. 作用：2个输入控制一个输出。当2个输入均为True时，输出False，其余情况与OR门相同。
   
3. 图示：
   先用一个OR门，将其与AND门并联，AND门与NOT门串联，最后让NOT与AND门并联，获得输出。
   

4、逻辑门的符号表示

1. 作用：将逻辑门简化，将逻辑门用于构建更大的组件，而不至于太复杂。
2. 图示：
   
   • 非门：用三

1、计算机技术的影响——进入信息时代

• 出现自动化农业设备与医疗设备
• 全球通信和全球教育机会变得普遍
• 出现意想不到的虚拟现实/无人驾驶/人工智能等新领域

2、计算机的实质：

极其简单的组件，通过一层层的抽象，来做出复杂的操作。计算机中的很多东西，底层其实都很简单，让人难以理解的，是一层层精妙的抽象。像一个越来越小的俄罗斯套娃。

3、关于计算的历史：

1. 公元前 2500 年，算盘出现，为十进制，功能类似一个计数器。
2. 公元前 2500 年-公元 1500 年：星盘、计算尺等依靠机械运动的计算设备出现
3. 公元 1613 年：computer 的概念出现，当时指的是专门做计算的职业，
4. 1694 年：步进计算器出现，是世界上第一台能自动完成加减乘除的计算器。
5. 1694-1900 年：计算表兴起，类似于字典，可用于查找各种庞大的计算值。
6. 1823 年：差分机的设想出现，可以做函数计算，但计划最后失败。
7. 19 世纪中期：分析机的设想出现，设想存在可计算一切的通用计算机。
8. 1890 年：打孔卡片制表机。原理：在纸上打孔→孔穿过针→针泡入汞→电路连通→齿轮使计数+1。