程序员必知必会之计算机系统概论

# 1. 计算机的发展历程

# 1.1 计算机硬件的发展

计算机系统 = 硬件 + 软件

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# 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。

# 1.2 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。

# 1.3 计算机的分类与发展方向

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# 2. 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

# 2.1 计算机硬件的基本组成

早期的冯・诺依曼机

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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 ：

1. 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)
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序
6. 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！

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# 2.2 现代计算机的组织结构

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现代计算机硬件框图

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# 2.3 计算机的功能部件

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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。

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• <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)

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• <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)。

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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)。

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# 3. 计算机硬件的性能指标

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