【408之计算机组成原理】计算机系统概述

前言

一、计算机的发展历程

1. 计算机发展的四代变化

计算机的发展过程经理四个时代：电子管时代，晶体管时代，中小规模集成电路时代，超大规模集成电路时代。

• 电子管时代：逻辑元件采用电子管，使用**机器语言（最底层的语言）**进行编程，存储的容量小，体积大，成本高，运算速度慢。
• 晶体管时代：逻辑元件采用晶体管，运算速度相比于电子管时代的计算机提高一点，此时开始出现高级语言和编译程序，有了操作系统的雏形。
• 中小规模集成电路时代：逻辑元件采用中小规模集成电路，高级语言发展迅速，开始有了分时操作系统。
• 超大规模集成电路时代：逻辑元件采用大规模集成电路和超大规模集成电路，产生了微处理器（CPU），产生了并行、流水线、高速缓存和虚拟存储器等概念。

2. 计算机元件的更新换代

3. 计算机软件的发展

计算机语言从刚开始的机器语言，逐渐发展产生了汇编语言和面向对象的高级语言，可见其发展是非常迅速的。

二、计算机系统层次结构

1. 计算机系统的组成

计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的。

• 硬件系统（底层）：能够实际摸得着的那些东西：比如常见输入输出设备，存储器，运算器和控制器，这五大部件也是后面冯诺依曼体系结构中的重要组成部分。
• 软件系统（上层）：包括常见的使用高级语言编写而形成的软件，其能够让硬件完成对应的工作，这里需要知道，操作系统也是属于软件。

计算机性能的好坏很大程度是取决于软件的，但是软件的运行又离不开硬件，因为软件的本质就是让硬件工作，硬件和软件其实对于实现某一个逻辑具有等效的作用，但是使用硬件和使用软件来完成的成本和效率是不一样的，其中，如果使用软件来完成逻辑运行的话，就是效率低，成本低，使用硬件来完成对应的逻辑运算的话就是效率高，成本高。比如：如果我们要完成一个乘法计算，那么对于硬件我们只需要实现一个乘法指令（成本高），让硬件进行计算即可（效率高），但是采用软件的话，就只能进行多次相加，所以显然效率就会比较低，但是成本也低

2. 冯诺依曼体系结构

早期的冯诺依曼体系结构

早期的计算机中的结构是按照上面的结构实现的，数据经过输入设备之后是将数据传送到运算器，然后再由运算器将数据输送到存储器，这个结构是以运算器为中心的，这个过程中效率就会相对比较慢了，所以后期的计算机中的结构做出了修改
后期的冯诺依曼体系结构

后期的计算机中，数据经输入设备之后是直接到达存储器，然后需要运算的时候再将数据传送给运算器进行运算。所以这个结构是以存储器为中心的。

1. 存储程序：将事先编制好的程序和原始数据送入主存（内存）后才能执行（CPU执行），一旦程序被启动，就无需操作人员干预，计算机会自动逐条执行指令，直到程序运行结束。存储程序相比于原始的计算机所具有的优点：不需要人为进行干预，从而提高了计算机运行的效率。
2. 冯诺依曼体系计算机的特点：

• 采用存储程序的工作方式
• 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备构成
• 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但是计算机能够对它们进行区分
• 指令和数据均以二进制的形式进行表示。指令是由操作码和地址码组成，其中，操作码指出操作的类型，就是告诉CPU这条指令需要执行什么操作，比如：加法操作和减法操作。地址码是指出操作数的地址，就是告诉CPU这个要去哪里找这个指令运算对应的操作数。

3. 计算机的功能部件

前面我们知道冯诺依曼体系结构中包含五大部件：输入设备，输出设备，存储器，运算器和控制器。下面我们将逐一介绍其中的原理：

1. 输入设备

输入设备的主要作用就是将程序和数据以计算机能够识别的机器语言形式输入给计算机，最常用的输入设备：键盘，鼠标，扫描仪，摄像机

2. 输出设备

输出设备的主要功能就是将计算机处理的结构以人类能够识别的形式输出。最常用的输出设备：显示器、打印机。

3. 存储器（重点）

存储器包括两类基本的存储器：主存储器和辅助存储器，我们主要研究主存。

• 主存储器：指内存，就是CPU能够直接访问的存储器，一般大小为：8GB或者16GB
• 辅助存储器：CPU不能直接访问的存储器，主要的任务是帮助主存储器存储更多信息，因为CPU无法直接访问这里的信息，所以当这些信息需要被执行的时候，需要先将这些信息调入内存才能被执行。常见的辅助存储器：比如电脑中的磁盘，手机的SD卡，U盘之类的存储器。
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