计算机系统概述

1.发展历程

计算机硬件发展

计算机的发展通常按其所使用的基本电子元器件 （逻辑元件）和体系结构的飞跃来划分，主流观点可分为四代。核心依据包括：物理器件、主存储器、运算速度、软件技术及应用领域的变化。

第一代：电子管计算机（约1946---1958年）

核心器件：真空电子管作为逻辑开关和放大元件。
主存储器：水银延迟线、阴极射线管、磁鼓等。
运算速度：每秒几千次至几万次。
软件与编程：直接使用机器语言，后期出现汇编语言，几乎没有系统软件。
主要特征：体积庞大、功耗极高、发热量大、可靠性差、价格昂贵，主要用于科学计算和军事领域。
代表机型：ENIAC、EDVAC、IBM 701。

第二代：晶体管计算机（约1959---1964年）

核心器件：晶体管取代电子管，实现更小体积和更低功耗。
主存储器：磁芯存储器成为主流。
运算速度：每秒几十万次至上百万次。
软件与编程：出现高级程序设计语言（如FORTRAN、COBOL），操作系统的雏形开始出现。
主要特征：可靠性显著提高，体积缩小，功耗降低，应用从科学计算扩展到数据处理和工业控制。
代表机型：IBM 7090、CDC 1604。

第三代：集成电路计算机（约1965---1971年）

核心器件：中小规模集成电路（SSI、MSI），将多个晶体管、电阻等元件集成在一块硅片上。
主存储器：半导体存储器逐步替代磁芯存储器。
运算速度：每秒百万次至几千万次。
软件与编程：操作系统趋于成熟并功能完善，高级语言极大丰富，出现会话式语言（如BASIC）。
主要特征：体积、功耗、成本进一步下降，向系列化、标准化发展。小型计算机开始流行，应用领域扩大到管理和自动化。
代表机型：IBM System/360、DEC PDP-8。

第四代：大规模/超大规模集成电路计算机（约1972年至今）

核心器件：大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI），单芯片上可集成几十万乃至数十亿个晶体管。
主存储器：高密度半导体存储器（DRAM、SRAM），容量呈指数级增长。
运算速度：每秒数亿次至上百万亿次，并行处理能力大幅增强。
软件与编程：软件工程化，操作系统图形化、网络化，面向对象语言、智能语言等蓬勃发展，数据库、云计算、AI平台成熟。
主要特征：微处理器的诞生直接催生了个人计算机（PC）。计算机网络普及，进入移动互联和智能化时代。计算机向微型化、巨型化、网络化、智能化方向发展。
代表机型：以Intel 4004/8086微处理器为核心的PC、IBM PC系列、现代服务器和超级计算机。

计算机元件的更新换代

1)摩尔定律。在价格不变的前提下，集成电路上可容纳的晶体管数量约每18个月翻一番，从而推动性能显著提升。这意味着，18个月后以相同价格购买的处理器，其理论性能潜力约为当前产品的两倍。这一定律深刻揭示了信息技术的快速发展节奏。

2)半导体存储器的发展。1970年，美国仙童半导体公司研制出首个较大容量的半导体存储器。此后，单芯片存储容量从1KB、4KB、16KB、64KB、256KB,逐步发展到1MB、 4MB、16MB、64MB、256MB、1GB,并已进入TB级别。

3)微处理器的发展。自1971年Intel公司推出首款微处理器 Intel 4004以来，微处理器不断演进，包括Intel 8008(8位)、Intel 8086(16位)、Pentium(32位)、Core i7(64位) 等。其中，32位、64位指的是机器字长(简称字长),即CPU通用寄存器的宽度，它决定了单次整数运算可以处理的数据位数以及可直接寻址的内存空间大小。

计算机软件的发展

沿着硬件发展的脉络，计算机软件也经历了从裸机指令到复杂生态的演进，简要发展脉络如下：

机器与汇编语言时代：最早只能直接编写二进制机器码，随后出现了用助记符替代数字的汇编语言，初步提升了编程效率。
高级语言与系统软件奠基：FORTRAN、COBOL等高级语言诞生，让程序员能用更接近自然逻辑的方式写代码。同时，操作系统从无到有，开始管理硬件资源。
操作系统成熟与结构化开发：操作系统走向完善，Unix、DOS、Windows等相继出现。C语言等结构化语言与软件工程思想开始流行，让大规模协作开发成为可能。
网络化、图形界面与面向对象：图形操作系统普及，同时兴起了C++、Java等面向对象语言，开发更注重模块化和复用。互联网催生了Web浏览器与后端服务软件。
移动互联、开源与智能化：iOS和Android开启了移动应用生态。开源模式成为主流协作方式。当前，AI框架、大数据平台和云原生技术正驱动软件向智能化方向演进。

2.计算机系统层级结构

1.计算机系统的组成

一个完整的计算机系统由硬件与软件组成。

硬件指有形的物理装置，即计算机系统中的各类物理部件；

软件则是在硬件上运行的程序及其相关的数据与文档。

计算机系统的实际性能，在很大程度上取决于软件对硬件资源的利用效率，而该效率的实现依赖于硬件所提供的能力。因此，计算机系统设计必须合理划分软硬件的功能边界。一般而言，对于使用频繁且硬件实现成本较低的功能，宜由硬件实现，以显著提升整体效率。

2.计算机硬件

接下来我们就得提到冯诺依曼体系结构

(1)冯诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构是现代计算机几乎都遵循的基本设计蓝图。它最核心的思想是存储程序，即把要执行的指令和待处理的数据，事先都以二进制形式存放在同一个存储器中，计算机运行时自动、顺序地从中取出指令执行。

这个体系结构在逻辑上主要由五大基本部件组成：

运算器：负责算术和逻辑运算。
控制器：全机的指挥中心，负责从内存取指令、翻译指令，并发出控制信号协调其他部件工作。
存储器：字面意思，存放程序和数据。
输入/输出设备：负责与外界交换信息。

这五大部件通过总线连接，其中传输的信号分为三类：

数据总线：传输数据。
地址总线：指定数据来自或发往哪个内存地址。
控制总线：传输读写、中断等控制信号。

主要特点：

采用"存储程序"的工作方式：将编制好的程序和初始数据预先存入主存储器，计算机启动后能自动、连续地取指并执行，直至程序结束，无须人工干预。
硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。
指令和数据在存储器中以相同形式存放，仅凭内容无法区分，但计算机应能识别它们。
指令和数据均采用二进制编码表示。
指令由操作码和地址码组成，其中操作码指明操作类型，地址码指出操作数的地址。

结构

运算器 和控制器 在现代计算机中已合成为中央处理器（CPU）。

(2)功能部件

1'中央处理器

中央处理器(CPU)是计算机系统中负责指令执行的核心部件。其传统基本组成部分为运算器和控制器 ；在现代处理器架构中，这两部分被系统地组织为数据通路与控制单元。

数据通路是执行实际运算的硬件通路，其核心包括算术逻辑单元(ALU)和通用寄存器组。 ALU负责完成所有算术与逻辑运算；通用寄存器组则为ALU提供操作数并暂存运算结果，是实现高速数据访问的关键。此外，数据通路还包含多路选择器、内部互连通路等组件，用于在各个部件间高效传送数据。控制单元负责协调整个CPU的工作。它从存储器中取出指令并译码，随后根据指令语义生成一系列精确的控制信号，指挥数据通路中的各部件(例如，选择源寄存器、配置ALU功能、启动运算并在正确时序下完成结果写回),从而确保指令有序、高效地执行。

运算器

大多数计算机的操作是由处理器的算术逻辑部件(ALU)执行的。考虑一个典型的例子:

假设将内存中放置的两个数字求和。它们被送人处理器中,然后由ALU执行实际的加法操作。

所求得的和可能储存在内存或保留在处理器中以便直接使用。

其他任意的算术或逻辑运算,例如乘、除,或比较数的大小,开始都是将操作数送至由

ALU执行运算的处理器中。当操作数被送人处理器时,它们储存在高速的存储单元寄存器中。

每个寄存器可以储存一个字的数据。在存储器层次结构中,寄存器的访问时间比最快的高速线

存的访问时间稍微快一点。

控制器和运算器比计算机系统连接的其他设备的运行速度要快许多倍。这就使得单独一个

处理器能够控制许多的外部设备,如键盘、显示器,磁盘和光盘、传感器及机械控制器等

控制器

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