# 計算機概論(一)

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>寒假會認真讀完(flag立好立滿)[name=BluePumpkin]
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:::spoiler 目錄
[TOC]
:::

## Chapter 1.Introduction
### 1.1 TURING MODEL(圖靈模型)
- **Alan Turing**首次在**1936年**提出
- 他提出所有的計算都可以由一種特殊的機器來執行，現在稱為“**圖靈機**”。
### 1.1.3 The universal Turing machine(通用圖靈機)
- 通用圖靈機，如果合適，可以進行任何計算的機器
提供的程序，是對現代計算機的**第一次描述**。
### 1.2 VON NEUMANN MODEL(馮諾依曼模型)
- 建立在圖靈通用機上的計算機將數據存儲在它們的內存中。
- 大約**1944-1945年**，**John von Neumann**提出，由於程序和數據在邏輯上是同樣，程序也應該存儲在計算機的內存中。
### 1.2.1 四個子系統
- 建立在馮諾依曼模型上的計算機將計算機硬件分為四部分子系統：存儲器(**memory**)、算術邏輯單元(**arithmetic logic unit**)、控制單元(**control unit**)和輸入/輸出(**input/output**)


- 存儲器(memory)
- 內存是存儲區域。這是處理過程中存儲程序和數據的地方
- 運算邏輯單元(Arithmetic logic unit)
- 算術邏輯單元 (==ALU==) 是進行計算和邏輯運算的地方
- 控制單元(Control unit)
- 控制單元控制存儲器、ALU 和輸入/輸出的操作
- 輸入/輸出(input/output)
- 輸入子系統接受來自計算機外部的輸入數據和程序，而輸出子系統將處理結果發送給外界。
### 1.2.2 The stored program concept(存儲程序概念)
- 馮諾依曼模型指出程序必須存儲在**內存**中。 這是完全不同於早期計算機的體系結構，其中只有**數據**存儲在內存中：他們的任務程序是通過操作一組開關或通過改變接線系統。
- 現代計算機的內存承載著**程序**及其相應的**數據**。
- 這意味著數據和程序都應該具有**相同的格式**，因為它們存儲在**內存**中。
### 1.3 COMPUTER COMPONENTS(計算機組件)
- 計算機由三部分組成：計算機硬件、數據和計算機軟件。

### 1.4 HISTORY
- 計算和計算機的歷史分為三個部分-**機械機器時期（1930年之前）**，**電子計算機時期（1930-1950）**，以及包括五個現代計算機世代在內的時期。
### 1.4.1 Mechanical machines(機械機器時期) (==before 1930==)
- 在此期間，發明了幾種幾乎沒有相似之處的計算機器。
- 17世紀，法國數學家和哲學家**布萊斯·帕斯卡**（**Blaise Pascal**），發明了**Pascaline**，一種用於加法和減法運算的機械計算器。
- 17 世紀後期，德國數學家**戈特弗里德萊布尼茨**發明了更複雜的機械計算器，可以進行乘法和除法以及加法和減法。它被稱為==萊布尼茨輪==。
- 20世紀，當**Niklaus Wirth**發明了**結構化編程語言**，他稱它為==帕斯卡==，以紀念第一台機械計算器的發明者。

補充資料(可以略過)
- 第一台使用存儲和編程思想的機器是提花機織機，由 Joseph-Marie Jacquard 在 19 世紀初發明。織機使用穿孔卡片（就像一個存儲程序）來控制紡織品製造中的經線。
- 1890 年，在美國人口普查局工作的 Herman Hollerith 設計並建造了一種可以自動讀取、統計和排序存儲在計算機上的數據的編程器機器穿孔卡片。

### 1.4.2 The birth of electronic computers (1930-1950)(電子計算機時期)
- 在**1930年**到**1950年**之間，科學家們發明了幾台計算機，他們可以被認為是電子計算機行業的先驅，早期的電子計算機並沒有將程序存儲在內存中，所有的都是**外部編程**。
- 第一台對信息進行電編碼的專用計算機是由**John V. Atanasoff**和他的助手**Clifford Berry**在**1939年**。它被稱為**ABC（Atana-soff Berry Computer）**，專門用於==求解線性方程組==。
- 第一台基於**馮諾依曼思想**的計算機於**1950年**製造於賓夕法尼亞州，被稱為**EDVAC**。與此同時，一台類似的計算機叫做**EDSAC**由英國劍橋大學的**Maurice Wilkes**建造。

### 1.4.3 Computer generations (1950-至今)
- **1950年**後製造的計算機或多或少遵循馮諾依曼模型。他們有變得更快、更小、更便宜，但原理幾乎相同。
- 第一代（大約**1950~1959年**）的特點是出現了==商業電腦==。 在此期間，計算機僅由**專業人員**使用。
- 第二代計算機（大約**1959~1965年**）使用==晶體管==代替==真空管==。這減小了計算機的**尺寸**和**成本**，並使它們負擔得起到**中小企業**。
- 第三代(大約**1965年~1975年**)==集成電路==（晶體管、佈線和其他元件在一個電路上)，以及單芯片的發明進一步降低了計算機的成本和尺寸。小型機出現在市場上。罐頭程序（俗稱軟件包）變得可用。
- 第四代（大約**1975~1985年**）見證了微型計算機的出現。第一台桌面計算器**Altair 8800**於**1975年**面世。電子工業允許整個計算機子系統安裝在單個電路板上。
- 第五代這個開放的一代始於**1985年**，見證了**筆記本電腦**的出現和**掌上電腦**，**二級存儲介質**（==CD-ROM==、==DVD==等等)，多媒體的使用，以及虛擬實境。

## Chapter 2.

### 2.2 Positional number system
- binary system--->2進位
- octal system--->8進位
- decimal system--->10進位
- hexadecimal system--->16進位

| Decimal | Binary | Octal | Hexadecimal |
|:-------:|:------:|:-----:|:-----------:|
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 |
| 2 | 10 | 2 | 2 |
| 3 | 11 | 3 | 3 |
| 4 | 100 | 4 | 4 |
| 5 | 101 | 5 | 5 |
| 6 | 110 | 6 | 6 |
| 7 | 111 | 7 | 7 |
| 8 | 1000 | 10 | 8 |
| 9 | 1001 | 11 | 9 |
| 10 | 1010 | 12 | A |
| 11 | 1011 | 13 | B |
| 12 | 1100 | 14 | C |
| 13 | 1101 | 15 | D |
| 14 | 1110 | 16 | E |
| 15 | 1111 | 17 | F |

### 2.3 Nonposaitional number systems
- Roman number system

| I | V | X | L | C | D | M |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | ---- |
| 1 | 5 | 10 | 50 | 100 | 500 | 1000 |
- 兩數相比小數字放左為減，放右為加
- ex : XIX--->10+(-1+10)=19

## Chapter 3.
### 3.2 Storing Number
1. unsigned integers
- 空位補0
- ex : (7)~10~--->(111)~2~--->(0111)~2~4bits
1. sign and magnitude number
- 首位數字決定正負
- 0--->正
- 1--->負
1. overflow 溢位
- 若數字到達bits所能表達的上限，下一個數字將進位導致溢位

| A+B=C | dec | bin(4bits) |
| -------- | --- | ---------- |
| A | 14 | 1110 |
| B | 9 | 1001 |
| C(正解，但溢位) | 23 | ~~1~~0111 |
| 顯示錯誤 | 7 | 0111 |
- 負數同理

1. two's complement (NOT+1)
| **8-bit bin** | **1 1 0 0 1 0 0 1** |
| --- | ----------------------- |
| **two's operation** | **0 0 1 1 0 1 1 0 + 1** |

1. sign + two's complement (現今代換正負最常用的方法)
| dec | 8-bit bin |
| -------- | --------- |
| 55 | 00110111 |
| -55 | 11001001 |

### 3.2.4. ==IEEE== standards for Floating-point representation
- Sign + Shifter (or Exponent) + Fixed-point number
- **S**ign--->標誌
- 0--->正
- 1--->負
- **E**xponent--->指數
- $8bits =>127-原數指數$
- $11bits =>1023-原數指數$
- **M**antissa--->尾數
- 空位補0

##### 例題 1.


### 3.3 Storing Text
#### ASCII(**A**merican **S**tandard **C**ode for **I**nformation **I**nterchange)
- 7bits
- 128 Symbols
#### Unicode
- 32bits
- 4294967296 Symbols

### 3.5 Storing images
- 圖像使用兩種不同的技術存儲在計算機中：**光柵圖形**(raster graphics)和**矢量圖形**(vector graphics)。

- 紅、綠、藍三基色（通常稱為 ==RGB==）
- 本色(True-Color)
- 用於編碼像素的技術之一稱為**真彩色**，它使用 **24位元**來編碼一個像素。
- 數字只有0~255


## Chapter 4.
### Chapter 4.1 Logic Opearations
#### NOT (**one input** 在計算中較其他三種有==優先權==)

| X | output |
| --- | ------ |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |


#### OR (類似電路==並聯==，其一通則通)

| X | Y | output |
| --- | --- | ------ |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |


#### AND (類似電路==串聯==，需要兩個都通過)

| X | Y | output |
| --- | --- | ------ |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |


#### XOR (exclusive-or,**互斥或**)

| X | Y | output |
| --- | --- | ------ |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |

 (**找不一樣的為1**)

:::info

ex:(99)~16~XOR[(33)~16~AND[NOT(00)~16~]]=(AA)~16~
 
---
1. NOT(00)~16~ : 00000000--->11111111=(FF)~16~

| NOT | Binary |
| -------- | -------- |
| (00)~16~ | 00000000 |
| 輸出 | 11111111 |

2. (FF)~16~AND(33)~16~--->00110011=(33)~16~

| AND | Binary |
| -------- | -------- |
| (FF)~16~ | 11111111 |
| (33)~16~ | 00110011 |
| 輸出 | 00110011 |
3. (99)~16~XOR(33)~16~--->10101010=(AA)~16~

| XOR | Binary |
| -------- | -------- |
| (99)~16~ | 10011001 |
| (33)~16~ | 00110011 |
| 輸出 | 10101010 |
:::

## Chapter 5.
### 5.1 Introduction
- a computer
- the central processing unit
- the main memory
- the input/output subsystem

#### 5.2.1 The <ruby>**C**entral<rp>(</rp><rt>中央</rt><rp>)</rp></ruby> <ruby>**P**rocessing<rp>(</rp><rt>處理</rt><rp>)</rp></ruby> <ruby>**U**nit<rp>(</rp><rt>單元</rt><rp>)</rp></ruby> and The <ruby>**A**rithmetic<rp>(</rp><rt>算術</rt><rp>)</rp></ruby> <ruby>**L**ogic<rp>(</rp><rt>邏輯</rt><rp>)</rp></ruby> <ruby>**U**nit<rp>(</rp><rt>單元</rt><rp>)</rp></ruby>
- Logic operation(**邏輯運算**) : 計算邏輯運算。例如:**NOT**、**OR**、**AND**和**XOR**。
- Shift operation (**位移運算**) : 包括邏輯移位運算和算術移位運算。
- Arithmetic operation (**算術運算**) : 整數和實數的計算技巧（標準化）(**Standardization**)。

#### 5.2.2 Registers (暫存器)
- Data registers (**資料暫存器**) :
- 存儲輸入數據、中間結果和輸出數據。
- Instruction registers (**指令暫存器**) :
- 為了存儲指令，解碼它們，然後執行它們。
- Program counter (**程式計數器**) :
- 繼續執行指令並尋找下一條指令的地址。
#### 5.2.3 Control Unit (控制單元)
- 控制各個子系統的運行。

### 5.3 Main Memory (主要記憶體)
#### 5.3.1 Address space
-
| Unit | Exact Number of Bytes | Approximation |
| -------- | --------------------- | ------------- |
| kilobyte | 2^10^=1024 | 10^3^ |
| megabyte | 2^20^=1048576 | 10^6^ |
| gigabyte | 2^30^=1073741824 | 10^9^ |
| terabyte | 2^40^ | 10^12^ |

#### 5.3.2 Memory types
1. RAM(**R**andom **A**ccess **M**emory) :
又稱「**暫存記憶體**」，用於儲存接下來要執行的資料，**可隨時讀寫，讀寫速度快**，通常做為臨時資料儲存媒介。
- SRAM (==靜態==隨機存取記憶體 , **S**tatic **R**andom **A**ccess **M**emory) :
- 使用傳統的正反閘來保存資料
- 只要電源是開啟狀態，則資料就被保存
- 斷電後就**喪失資料**。
- DRAM (==動態==隨機存取記憶體 , **D**ynamic **R**andom **A**ccess **M**emory) :
- 使用電容來做資料儲存
- 如果電容是充滿電的，則狀態為 1
- 如果電容未充電，則狀態為 0
- 但電容會隨時間漏電，所以DRAM記憶體單元**需要週期性地加以更新**。

2. ROM (唯讀記憶體 , **R**ead-**O**nly **M**emory) :
非易失性 , 可以斷電保存 , CPU不能寫入資料 , 通常用來**存放開機資料及啟動程式**。
- PROM (<ruby>
**P**rogrammable<rt>可程式規劃</rt>&ensp;**R**ead-**O**nly<rt>唯讀</rt>&ensp;**M**emory<rt>記憶體</rt>
</ruby>)
- 為另類的 ROM
- 一開始為空白的記憶體，使用者可用特殊設備將程式儲存於其中
- 放入後**不可再覆寫**。
- EPROM (<ruby>
**E**rasable<rt>可清除</rt>&ensp;**P**rogrammable<rt>可程式規劃</rt>&ensp;**R**ead-**O**nly<rt>唯讀</rt>&ensp;**M**emory<rt>記憶體</rt>
</ruby>) :
- 為另類的 PROM
- 使用者可用特殊設備將程式儲存於其中，也可用特殊的紫外光設備清除資料
- 可以使用**電子脈衝**對 EEPROM 進行編程和擦除，而**無需從計算機中取出**。
- EEPROM (<ruby>
**E**lectrically&ensp;**E**rasable<rt>電子抹除式</rt>&ensp;**P**rogrammable<rt>可程式規劃</rt>&ensp;**R**ead-**O**nly<rt>唯讀</rt>&ensp;**M**emory<rt>記憶體</rt>
</ruby>) :
- 為另類 EPROM
- 可藉由**電子脈衝來加以程式化和清除，而不需從電腦中移除**。

#### 5.3.3 Memory hierarchy

#### 5.3.4 Cache Memory (快取記憶體)
- 比主記憶體快 , 但是比==CPU==及其內部的暫存器慢。快取記憶體通常數量**少** , 並置於**CPU與主記憶體之間**。

### 5.4 Input/Output(I/O) Subsystem
#### 5.4.1 Nonstorage devices
- keyboard
- monitor
- printer

#### 5.4.2 Storage devices
- magnetic storage devices
- magnetic disks
- magnetic tape
- optical storage devices
- CD-ROMs
- CD-R
- R=recordable
- CD-RW
- RW=rewritable
- DVD

### 5.5 Subsystem Interconnection
#### 5.5.1 Connecting CPU and memory
1. Data dus
2. Address bus
3. Control bus

#### 5.5.2 Connecting I/O devices
1. Controllers
2. FireWire
3. **U**niversal **S**erial **B**us(USB)
4. **H**igh-**D**sfinition **M**ultimedia **I**nterface(HDMI)

#### 5.5.3 Addressing I/O devices
- Isolated I/O
- Memory-mapped I/O

### 5.6 Progam Execution
#### 5.6.1 Machine cycle
1. fetch:取出
2. decode:解析/碼
3. execute:執行

st=>start: start
e=>end: end
cond=>condition: instructions
op1=>operation: Fetch
op2=>operation: Decode
op3=>operation: Execute

st->cond
cond(yes,right)->op1(right)->op2(right)->op3(right)->cond
cond(no)->e

### 5.6.2 I/O operation
- programmed I/O
- 在ready階段執行busy waiting--->不斷詢問(主動)

graph LR
st=>start: start
cond1=>condition: more words
op1=>operation: Issue I/O 
command
op2=>operation: Check 
device status
cond2=>condition: ready
op3=>operation: Transfer 
a word
e=>end: end

st->cond1
cond1(yes)->op1->op2->cond2(yes)->op3(left)->cond1
cond1(no)->e
cond2(no,right)->op2

- interrupt-driven I/O
- 在interrupt階段等待通知(被動)

st=>start: start
cond=>condition: more words?
op1=>operation: Issue I/O
command
in=>inputoutput: interrupt
op2=>operation: Transfer 
a word
e=>end: end

st->cond(yes)->op1->in->op2(left)->cond
cond(no)->e

- **D**irect **M**emory **A**ccess(DMA)
- ready and finished

st=>start: start
op1=>operation: Issue I/O
command
in1=>inputoutput: ready
in2=>inputoutput: finished
op2=>operation: Wait
e=>end: end

st->op1->in1->op2->in2->e

### 5.7 Differnt Architetures
1. CISC

2. RISC

3. Pipelining

### 5.7.4 Parallel processing
- CPU核心分工
- SISD(一對一)
- SIMD(一對多)
- MISD(多對一)
- MIMD(多對多)

### 5.8 A Simple Computer

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###### tags: `計算機概論` `110` `2021`

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