程序员必知必会之计算机系统概论

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计算机的发展历程

1 计算机硬件的发展

计算机系统 = 硬件+软件

计算机的软硬件概念：

计算机系统由软硬件组成，硬件是计算机的实体，软件是利用硬件执行的程序
软件的分类：系统软件和应用软件
- 系统软件：管理整个计算机系统，语言处理程序，操作系统，服务性程序
- 应用软件：word ，QQ ，CS等等...

计算机硬件的发展：

第一代计算机：(使用电子管)，
第二代计算机：(使用晶体管)，
第三代计算机：(使用较小规模的集成)，
第四代计算机：(使用较大规模的集成)，

已经经历了4代，计算机的速度越来越快，并且体积变得越来越小。发展趋势：更微型、多用途；更巨型、超高速

晶体管之父：肖克利（1956年诺贝尔物理学奖得主）

1957年，"八叛徒"创立了仙童半导体

1959年，仙童半导体发明了"集成电路"

1968年，摩尔离开仙童，创立intel

1969年，仙童销售部负责人桑德斯离开仙童，创立AMD

摩尔定律，集成电路上的晶体管数量每18月就会翻一翻，所以每18月计算机的处理效率就会提高一倍。

2 计算机软件的发展

计算机软件技术的发展，促进计算机系统的发展。

计算机语言的发展经历了面向机器的机器语言和汇编语言、面向问题的高级语言。其中高级语言的发展真正促进了软件的发展，它经历了从科学计算和工程计算的 FORTRAN、结构化程序设计的 PASCAL到面向对象的C++和适应网络环境的Java。

同时，直接影响计算机系统性能提升的各种系统软件也有了长足的发展，特别是操作系统，如 Windows、UNIX、 Linux等。

3 计算机的分类与发展方向

计算机系统层次结构

机器语言->汇编语言->高级语言
微指令系统->机器语言，微指令语言构成了机器语言
汇编语言使用了操作系统的中断

1 计算机硬件的基本组成

早期的冯·诺依曼机

美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最先提出"程序存储"的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。由于他对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为"现代计算机之父"。

什么是存储程序原理？按此原理，计算机应具有哪几大功能？

"程序存储"：指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。即按地址访问并顺序执行指令

计算机按照此原理应具有5大功能：数据传送功能、数据存储功能、数据处理功能、操作控制功能、操作判断功能

冯诺曼体系结构特点：

计算机硬件系统由五大部件组成(存储器、运算器、控制器、输出设备、输入设备)
指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
指令和数据用二进制表示
指令由操作码和地址码组成
存储程序
以运算器为中心

早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，且是单处理机，**最根本的特征**是采用"**存储程序**"原理，基本工作方式是控制流驱动方式！

2 现代计算机的组织结构

现代计算机硬件框图

3 计算机的功能部件

五大部分：

<1> 输入设备，是指将外部信息以计算机能读懂的方式输入进来，如键盘，鼠标等
<2> 输出设备，就是将计算机处理的信息以人所能接受的方式输出出来，比如显示屏，打印机。
<3> 存储器，存储器分为主存储器(内存储器，CPU能直接访问)和辅助存储器(外存储器，协助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器的信息需要导入到主存储器中，才可以被CPU访问)。

主存储器 的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式(相联存储器既可以既可以按照地址寻址，又可以按照内容寻址，为了与传统存储器区别，又称为内容寻址的存储器！)

主存储器是由地址寄存器(MAR)，数据寄存器(MDR)，存储体，时序控制逻辑，地址寄存器存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。数据寄存器，是存储器与其他部件的中介，用于暂存要从存储器读或写的信息。时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。在现代CPU，MAR和MDR是在CPU中的。

<4> 运算器，是计算机的运算单元，用于算术运算和逻辑运算

运算器的核心单元是算术逻辑单元(ALU)
<5> 控制器，控制器是计算机的指挥中心，有其指挥各部件自动协调第进行工作，现代计算机将运算器和控制器集成到一个芯片上，合成为中央处理器，简称CPU。有程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)和控制单元(CU)。

一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器(CPU)。CPU和主存储器共同构成主机，而除主机外的其他硬件装置(外存、I/O设备等)统称为外部设备，简称外设。

图1.4 所示为冯・诺依曼结构的模型机。CPU包含ALU、通用寄存器组GPRs、标志寄存器、控制器、指令寄存器IR、程序计数器PC、存储器地址寄存器MAR和存储器数据寄存器MDR。图中从控制器送出的虚线就是控制信号，可以控制如何修改PC以得到下一条指令的地址，可以控制ALU执行什么运算，可以控制主存是进行读操作还是写操作(读/写控制信号)。