第一章——计算机系统概论
《计算机组成原理》的第一章——计算机系统概论，是理解计算机底层工作原理的基础章节。它从宏观角度介绍计算机系统的组成、发展历程、核心设计思想以及性能评价指标。以下是该章节的详细内容解析：
一、计算机的发展简史
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机械计算机时代（17世纪-19世纪）
- 早期计算工具：算盘、计算尺等。
- 机械计算机代表：巴贝奇的差分机与分析机（首次提出“程序控制”概念）。
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电子计算机的诞生（20世纪40年代）
- 第一代电子管计算机（1946年ENIAC）：体积庞大、功耗高，采用十进制运算。
- 第二代晶体管计算机（1950s）：体积缩小，可靠性提升。
- 第三代集成电路计算机（1960s）：集成电路（IC）技术推动小型化。
- 第四代超大规模集成电路计算机（1970s至今）：微处理器诞生，计算机进入个人化时代。
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现代计算机的发展趋势
- 高性能计算（HPC）、量子计算、人工智能芯片、边缘计算等。
二、计算机系统的组成
计算机系统由硬件和软件两大部分协同工作：
1. 硬件系统
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五大核心部件（冯·诺依曼体系结构）：
- 运算器（ALU）：执行算术与逻辑运算。
- 控制器（CU）：从内存中读取指令，协调各部件工作。
- 存储器：存储程序与数据（分为主存和辅存）。
- 输入设备：将外部信息转换为计算机可处理的形式（如键盘、鼠标）。
- 输出设备：将处理结果转换为人类可感知的形式（如显示器、打印机）。
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总线：连接各部件的数据通道，分为数据总线、地址总线和控制总线。
2. 软件系统
- 系统软件：
- 操作系统（如Windows、Linux）：管理硬件资源，提供用户接口。
- 编译程序：将高级语言转换为机器语言。
- 数据库管理系统（DBMS）等。
- 应用软件：
- 办公软件、游戏、行业专用软件等。
三、冯·诺依曼体系结构
核心思想
- 存储程序：
- 程序与数据以二进制形式存放在同一存储器中。
- 计算机按指令顺序自动执行，无需人工干预。
- 五大部件分工协作：
- 控制器根据指令控制全机工作流程。
工作流程
- 取指令：从存储器中读取指令。
- 分析指令：控制器译码指令，确定操作类型。
- 执行指令：运算器执行操作，结果写回存储器或输出设备。
现代计算机的改进
- 并行处理：多核CPU、流水线技术。
- 分离缓存：哈佛结构（指令与数据存储分离）。
- I/O直接内存访问（DMA）：减少CPU负担。
四、计算机的层次结构
计算机系统通过分层抽象简化复杂性：
- 高级语言层：面向用户（如C、Python）。
- 汇编语言层：面向机器指令的符号表示。
- 操作系统层：管理硬件资源，提供系统调用接口。
- 机器语言层：二进制指令，直接由硬件执行。
- 微程序/硬连线层：控制器的底层实现。
五、计算机的性能指标
- 主频（时钟频率）：CPU每秒的时钟周期数（单位：Hz），但高主频≠高性能。
- CPI（Clock Per Instruction）：执行一条指令所需的平均时钟周期。
- MIPS（Million Instructions Per Second）：每秒百万条指令数。
[
\text{MIPS} = \frac{\text{主频}}{\text{CPI} \times 10^6}
] - FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒浮点运算次数，用于衡量科学计算能力。
- 存储容量与带宽：内存容量、硬盘速度、总线带宽等。
六、计算机的应用领域
- 科学计算：天气预报、核能模拟。
- 数据处理：数据库、大数据分析。
- 实时控制：工业自动化、航空航天。
- 人工智能：深度学习、自然语言处理。
- 嵌入式系统：智能家居、物联网设备。
七、关键问题与思考
- 为什么冯·诺依曼结构仍是主流？
- 存储程序思想简化了程序设计，通用性强，适合多种应用场景。
- 硬件与软件的关系
- 硬件是基础，软件是灵魂。例如，操作系统通过驱动程序管理硬件资源。
- 性能瓶颈的演变
- 从CPU主频竞争转向多核并行、存储层次优化（如缓存技术）。
总结
第一章通过历史脉络和系统组成，帮助学生建立计算机系统的整体认知，理解“程序如何驱动硬件工作”这一核心问题。后续章节（如运算器、存储器、指令系统）将深入剖析各部件细节，最终构建完整的计算机组成知识体系。