【IT】计算机体系结构

最新推荐文章于 2025-04-08 20:03:44 发布

叶林1981

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分类专栏： IT 文章标签：计算机体系

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https://edu.51cto.com/center/course/user/get-study-course

解释型语言，在计算机资源受限制的嵌入式计算机上（单片机等）效果不好，因此在嵌入式开发中，更多的还是使用c、c++这种

解释型语言：basicjava、javascript、perl、ruby、vb、c#、python 等都是解释型的，除此之外其它大部分都是编译型的

编译器

一次性编译到位后即可执行、不需要运行虚拟机进行解释
跨平台受限

直译型

面对脚本等这类语言，脚本程序中的命令是一早编译好的可执行程序，可以直接执行

间接型解释器

虚拟机，一次编译到处运行

高级语言和低级语言

机器语言和汇编语言均属于低级语言
指令语法不统一

高级语言介绍
fortran、cobol、algol、simula、lisp（函数式，最适合CPU多核的并行运算）、prolog、R语言、C系语言

编程范式1

面向对象
面向过程

编程范式2

面向过程、面向对象、函数式语言

逻辑式语言

特俗用途的语言

html 标记语言
sql 数据库查询语言
matlab 数值分析语言

///

《计算机体系结构》软件篇2 之编译器

汇编语言与汇编编译器

在这里插入图片描述

汇编编译将ASCII编码形式程序翻译为计算机指令

在这里插入图片描述

不同的CPU芯片不同的机器指令有着自己机型的汇编编译器

CPU汇编语法

在这里插入图片描述

汇编编译器

芯片厂家提供
非芯片厂商、大型公司和组织
高级语言汇编程序计算机指令

在这里插入图片描述

词法、语法、语义分析
_sum = a[1] + a[2]
分号；
编译器将这句进行拆分——sum、=、a[1]、+、a[2]
分析这几个词是否符合c语言的词法规则

树形结构根据运算符优先级

C语言编译器与预处理

预编译：头文件，进行.c文件内容扩展，为编译做准备

.h 文件的包含

编译：将c语言程序翻译为计算机指令
链接：将众多的机器指令文件合在一起，得到“可执行计算机指令程序”

在这里插入图片描述

链接

在这里插入图片描述

目标文件里面放的已经时计算机指令 .o 结尾无法直接运行

可执行文件

所有目标文件链接在一起
windows .exe
unix、linux .out
符号统一
地址重定位

C语言可执行文件的格式
裸机 bin

在这里插入图片描述

编译过程

在这里插入图片描述

makefile

///

《计算机体系结构 - 软件篇》之解释器、语言、算法

编译器翻译成ASCII编码的程序

解释器

每翻译一句就执行一句

在这里插入图片描述

直接型、间接型解释器

直译型解释器与脚本程序

运行程序

图形交互界面
命令行命令

脚本文件中编写脚本程序，从而批量执行

2 windows下的脚本程序

直译型解释器：逐条执行

在这里插入图片描述

写入条件判断语句，然后通过输入条件，按照要求控制批量执行

脚本文件、脚本语言、脚本程序之间的关系
脚本文件容器，里面放的是脚本语言编写的脚本程序
.bat
写入条件判断语句，然后通过输入条件，按照要求控制批量执行

dir cls

在这里插入图片描述

3 Linux下的Shell脚本等问题

在这里插入图片描述

运行脚本程序就是批量的执行一批已经写好的程序

在这里插入图片描述

4 为什么需要间接型解释器

在这里插入图片描述

很多时候java c#等的程序都很大，一次性将所有字节码变为机器指令的话，非常消耗时间，如果程序庞大的话，转换的过程至少30分钟时间以上

5 为什么需要间接型解释器（虚拟机）

针对不同平台、不同的CPU、不同的操作系统

在这里插入图片描述

///

《计算机体系结构》软件篇2 之编译器

汇编语言与汇编编译器

图片11

汇编编译将ASCII编码形式程序翻译为计算机指令

图片12

图片13

不同的CPU芯片不同的机器指令有着自己机型的汇编编译器

CPU汇编语法

图片14

图片15

汇编编译器

芯片厂家提供
非芯片厂商、大型公司和组织
高级语言汇编程序计算机指令

图片16

词法、语法、语义分析
_sum = a[1] + a[2]
分号；
编译器将这句进行拆分——sum、=、a[1]、+、a[2]
分析这几个词是否符合c语言的词法规则

树形结构根据运算符优先级

C语言编译器与预处理

预编译：头文件，进行.c文件内容扩展，为编译做准备

.h 文件的包含

编译：将c语言程序翻译为计算机指令
链接：将众多的机器指令文件合在一起，得到“可执行计算机指令程序”

图片18

链接

图片19

目标文件里面放的已经时计算机指令 .o 结尾无法直接运行

可执行文件

所有目标文件链接在一起
windows .exe
unix、linux .out
符号统一
地址重定位

图片20

C语言可执行文件的格式
裸机 bin

图片21

编译过程

图片22

图片23

makefile

//
UCS-2 最小分配2个字节字码值上限65536 属于不变长存储

unicode存储格式代表 ucs-2的存储格式

utf-8 针对万国码拉丁字符

基本分配单元时单个字节
变长存储

UCS-16 与 UCS-32

BMP 0组0平面

UTF-8 英文
ucs-2 utf-16 汉字

小端：little endian 简写为LE “数的高位字节”存在高地址字节空间 “数的低位字节”存在低地址字节空间
大端：big endian 简写为BE
存储0x00003D5F
0x3D5F
高地址字节空间（123）：3D
低地址字节空间（122）：5F

在这里插入图片描述

BOM
byte order mark
大小端序

编辑器根据类似BOM一样“头信息”来自动判断

ANSI 本地编码
GB国标码
American national standard institute

windows会给所有的这些“本地编码系统”一个编号

在这里插入图片描述

字符图形库（字模库）
设计各种字符图型
选择不同的字体就是不同的字模库

《计算机体系结构》软件篇1 之文字编码和子模库

1 软件篇课程大纲

各种字符编码标准
ASCII、ISO 8895-1、GBK、GB18030、GB2312、BIG5

万国码
UCS2 和 UCS4 编码集
utf-8、utf-16（ucs-2）、utf-32
编辑器如何识别编码格式
ANSI是个什么编码

2 程序

编译器
解释器

计算机的程序指令都是以电信号形式存在，二进制电信号

10001101 2.5v 0v 0v 0v 2.5v 2.5v 0v 2.5v

3 字符编码与字符图型库（字模库）

‘A’<--------> 65 (01000001), 0v 2.5v 0v 0v 0v 0v 0v 2.5v

字符图形库：存在计算机中

在这里插入图片描述

4 ASCII码

american standard code for information interchange

共涉及128个字符，每个字符对应一个编码

在这里插入图片描述

5 ISO-8859-1 编码与ASCII编码的关系

由国际标准组织ISO制定
包含欧洲几乎所有国家的文字编码
将字节的所有位用上

存储时只需要一个字节就可以了

6 汉字编码

2个字节 65536个组合

在这里插入图片描述

GB2312

BIG5 繁体字编码方案

DBCS
double byte charac set

///
21 有线串行通信之 I2C通信
22 有线串行之 SPI通信
23 有线串行之USB通信
24 有线串行之串口通信
25 有线串行之网络通信

通信协议 TCP/IP
远距离传输
传输的网络信号到底是什么，需要看具体的传输介质
光纤：数字光信号 1根光纤线
同轴电缆：模拟电信号 1根线
电话线：模拟电信号、或者数字 2~4根线
普通网线（双绞线）：数字的查分信号

26 无线通信概述

99%的无线通信都需要载波
xxxHZ指的时载波频率

27 WPAN介绍

wireless personal area networks
无线个人局域网
以个人为中心、覆盖面积小、10米左右
蓝牙耳机
蓝牙、红外、射频识别RFID/NFC等短距离无线通信

射频识别RFID/NFC

非接触式射频识别技术
饭卡、公交卡、门禁卡
载波频率 125KHZ~2.54GHZ

28 WLAN介绍

wireless local area networks
无线本地局域网
满足家庭或者小型公司覆盖平均100米左右

wifi

载波频率 2.4GHZ 或者 5GHZ
可构建WALN

29 WWAN 之 1G、2G、2.5G、3G、。。。

G generation

只能打电话

电话的语音、GPRS、EDGE、GPRS、EDGE都是从GSM升级而来

速度快、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA

速度更快
TD-LTE FDD-LTE两种制式

手机定位

基站定位
GPS全球定位

30 1G 2G 2.5G

GSM global system for mobile communications 全球移动通信系统
载波频率：850MHZ、900MHZ、1800MHZ、M900MHZ

CMDA

code division multiple access
码分多址技术
载波频率：850/900/1700/1900/2100MHZ

31 3G、4G、GPS

11 同步通信和异步通信

同步通信

A先发一个同步脉冲，B返回脉冲信号
B在接收数据之前可以做事也可以等待

异步通信

单片机串口（UART）
#并无事先约定

看有没有应答机制

12 单工、半双工、全双工通信

单工 - 一发一收
半双工 - 双方不能同时
全双工 - 同时发送和接收

13 噪声

影响通信质量的干扰信号

人为噪声自然噪声

14 如何防止噪声

电源不规则变化时电压起起伏伏
通过各种滤波
通过电容充放电将电压中的电压尖刺平滑掉

增加信号能量
频闭网
无线、有线中继器，补充信号能量

15 电平传输

直接传输高低电平表示二进制的 1 和 0
transistor transistor logic 晶体管-晶体管逻辑
TTL电平的电压范围

高电平 2v ~ 5v 表示 1
低电平 0v ~ 2v 表示 0

16 差分信号传输

使用两根线的信号差值表示

17 有屏蔽双绞线与无屏蔽双绞线

无线信道：非导向传输媒体
有限信道：导向传输媒体

18 信道之同轴电缆与光缆

optical fiber cable

19 信道的频分复用和时分复用

按照频率的不同，每个子信道只跑自己所要求频率的信号
时分复用就是在不同时间段，信道跑不同的信号

20 串行通信与并行通信回顾

并行

芯片内部通信
CPU芯片内部的三大高速总线

串行

芯片与芯片之间
设备与设备之间
数据线少，稳定性好、速度并不会太慢

《计算机体系结构》硬件篇5 之通信部分

通信知识点结构

常见的通信

有线通信

I2C、SPI、串口、USB、有线网络

无线通信

WPAN：蓝牙、红外、RFID（射频识别）、zigbee
WLAN： wifi
WWAN：2G、2.5G、3G、4G
LWPAN：主要用在物联网

信号、数据、信息的关系
生活中通信的例子
电子设备的通信模型

基带信号与载波

调制时，是如何将“基带信号”装入“载波“信号的

调频、调幅、调相

通信协议

协议

双方为了实现通信，一早规定号的通信规则，按照什么规则进行信息/数据的编码、发送，按照该规则接收、对数据和信息进行解码
0101010 -》110111010110
收发设备需要遵照相同的协议才能进行通信
现在的电子设备都是数字设备，通信协议通过编程实现

底层协议和高层协议

底层协议

调制发送、接收解调
控制硬件发送和接收信号

高层协议

数据解码、信息解码
对信息和数据进行编码和解码

简单通信协议

SPI、I2C、串口等短距离

复杂通信协议

网络通信所使用的TCP/IP协议

通信总结

9.串行通信与并行通信

有线的例子

usb、网络
电话通信
电视广播
单片机常用的I2C、SPI、串口

无线的例子

wifi
zigbee
蓝牙

/
《计算机体系结构》硬件篇2

知识点结构介绍

存储器

实现程序和数据存储

运算器（ALU）

进行算术运算和逻辑运算

控制器

解释理解程序指令，将程序指令转为对应的一条一条的微指令，这些微指令会控制计算机工作
算术、逻辑运算
数据的搬移， CPU的寄存器->内存，或者内存中的转移

计算机的详细结构

CPU运算器1

czvs标志位
c：进位、借位标志位，有的化会设置为1 2.5v

z：标记运算结果是否为零

CPU运算器2

v: 溢出标志位

s: 符号标志位

CPU控制器

对指令进行译码，将指令转成微指令，控制计算机工作

组成

程序计数器（PC） program counter，程序最开始运行时，PC里面放的时程序第一条指令再内存中所在的地址，没运行一条指令，PC里面的地址就会加1，指向下一个指令，如果一个指令的存放需要4个字节，，pc中的地址加1，实际上是加4个字节
指令寄存器（IR）instruction register，临时存放从内存中取得的，即将要被解释运行的指令，指令由两部分组成
#操作码：动作
#地址码