【计算机组成原理】计算机系统概述：从发展历程到工作原理
目录
一、引言
二、计算机发展历程：硬件演进与元件革命
1. 硬件的四代演进
2. 计算机元件的更新换代
三、计算机系统的组成：硬件与软件的协同
四、计算机硬件结构：冯・诺依曼体系的基石
功能部件详解
五、计算机软件体系：从系统支撑到应用落地
三级语言与翻译程序
六、计算机系统的层次结构
七、计算机系统的工作原理
“存储程序” 工作方式
从源程序到可执行文件
指令执行过程（以 “取数指令送入累加器 ACC” 为例）
八、总结
一、引言
计算机作为现代信息技术的核心载体，其系统架构的演进与工作原理的创新，持续推动着数字时代的发展。本文将从发展历程、系统组成、硬件结构、软件体系、层次结构及工作原理六个维度，全面解析计算机系统的核心逻辑。
二、计算机发展历程：硬件演进与元件革命
自 1946 年世界上第一台电子数字计算机（ENIAC）问世以来，计算机硬件与元件的发展历经数次变革，深刻重塑了信息技术的形态。
1. 硬件的四代演进
计算机硬件的发展可划分为四代，每一代都以逻辑元件的革新为标志：
- 第一代（1946—1957 年）：电子管时代逻辑元件采用电子管，以机器语言编程；主存储器依赖延迟线或磁鼓，容量极小；设备体积庞大、成本高昂，运算速度仅为几千到几万次每秒。
- 第二代（1958—1964 年）：晶体管时代逻辑元件升级为晶体管，运算速度提升至几万到几十万次每秒；主存储器采用磁芯存储器；软件生态开始发展，高级语言及其编译程序出现，操作系统雏形诞生。
- 第三代（1965—1971 年）：中小规模集成电路时代逻辑元件采用中小规模集成电路，半导体存储器逐步取代磁芯存储器；高级语言与分时操作系统快速发展，计算机的易用性与多任务能力显著提升。
- 第四代（1972 年至今）：超大规模集成电路时代大规模与超大规模集成电路催生了微处理器，并行技术、流水线、高速缓存与虚拟存储器等技术广泛应用，计算机性能实现质的飞跃，为现代互联网、人工智能等应用奠定了硬件基础。
2. 计算机元件的更新换代
元件技术的突破是计算机性能提升的核心驱动力：
- 摩尔定律：当价格不变时，集成电路的晶体管密度约每 18 个月翻倍，性能同步提升。这一规律揭示了信息技术 “性能翻倍、成本递减” 的发展节奏。
- 半导体存储器发展：从 1970 年仙童半导体的首款大容量半导体存储器开始，存储容量从单芯片 1KB 逐步发展至如今的 1TB，为海量数据存储与高速处理提供了支撑。
- 微处理器演进：从 1971 年 Intel 4004 到如今的 Core i7 系列，微处理器的机器字长（计算机一次整数运算可处理的二进制数据位数）从 8 位发展至 64 位（如 Pentium、Core 系列），直接决定了运算能力的上限。
三、计算机系统的组成：硬件与软件的协同
计算机系统由硬件系统（有形物理设备的总称，如 CPU、存储器、I/O 设备）和软件系统（硬件上运行的程序及相关数据文档，如操作系统、应用程序）共同构成。系统性能的优劣，既依赖硬件的效率，也取决于软件的优化程度，二者相辅相成。
其中，软 / 硬件逻辑功能等价性是系统设计的关键思想：对于某一功能，若既可用硬件实现，又可用软件实现，则从用户视角看二者功能等价。例如浮点数运算可通过专用浮点运算器（硬件）实现，也可通过子程序（软件）实现 —— 硬件实现性能更优但成本高，软件实现更灵活但性能稍弱。在系统设计中，需结合功能的使用频率与成本，合理分配软 / 硬件职责。
四、计算机硬件结构：冯・诺依曼体系的基石
冯・诺依曼在研究 EDVAC 时提出的 “存储程序” 概念，奠定了现代计算机的基本结构，基于此的计算机统称为冯・诺依曼机，其核心特点包括：
- 采用 “存储程序” 工作方式：程序与数据需先送入主存储器，执行过程无需人工干预，计算机自动逐条执行指令；
- 硬件由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成；
- 指令与数据以二进制代码形式同等存储于存储器，计算机需能区分二者；
- 指令由操作码（指出操作类型）和地址码（指出操作数地址）组成。
功能部件详解
- 输入 / 输出设备：是计算机与外界交互的桥梁。输入设备（如键盘、鼠标、扫描仪）将外部信息转换为计算机可识别的形式送入系统；输出设备（如显示器、打印机）将处理结果以人类可感知的形式输出。
- 存储器：分为主存（CPU 可直接访问）和外存（需调入主存才能被 CPU 访问，如硬盘、U 盘）。主存采用 “按地址存取” 方式，由存储体（存放二进制信息）、存储器地址寄存器（MAR）（存放访存地址，位数决定可寻址单元数，如 10 位 MAR 对应 2¹⁰=1K 单元）、存储器数据寄存器（MDR）（暂存读写数据，位数通常等于存储字长）及时序控制逻辑组成。
- 运算器：是执行算术与逻辑运算的核心，以算术逻辑单元（ALU）为核心，包含累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）等通用寄存器，以及程序状态寄存器（PSW）（记录运算状态，如溢出、进位）。
- 控制器：是系统的 “指挥中心”，由程序计数器（PC）（存放当前指令地址，具有自动加 1 功能）、指令寄存器（IR）（存放当前指令）和控制单元（CU）组成。运算器与控制器集成后构成中央处理器（CPU），CPU 与主存共同构成 “主机”，外存、I/O 设备等则属于 “外设”。
五、计算机软件体系：从系统支撑到应用落地
软件按功能可分为系统软件和应用软件：
- 系统软件：是保障计算机高效、正确运行的基础软件，如操作系统（Windows、Linux）、数据库管理系统（DBMS）、语言处理程序（编译器、解释器）等，通常作为系统资源向用户提供。
- 应用软件：是为解决特定领域问题而编制的程序，如科学计算程序、工程设计软件、数据统计工具等。
三级语言与翻译程序
计算机语言的发展经历了机器语言、汇编语言、高级语言三个阶段：
- 机器语言：是二进制代码序列，是计算机唯一可直接识别和执行的语言，但需编程人员记忆指令编码，开发效率极低。
- 汇编语言：用英文符号（如助记符）替代二进制指令，可读性显著提升，但仍需经汇编程序翻译为机器语言才能执行。
- 高级语言（如 C、C++、Java）：更贴近人类思维，可直接描述解决问题的逻辑，但需经编译程序（将高级语言编译为机器语言或汇编语言）或解释程序（逐条翻译并立即执行）转换为机器可执行的形式。
六、计算机系统的层次结构
计算机系统是一个多级层次综合体，不同视角（设计者、使用者）对系统的认知存在差异。典型的层次结构包括：
- 微程序机器层：是实在的硬件层，由机器硬件直接执行微指令；
- 传统机器语言层：也是实际的机器层，由微程序解释机器指令系统；
- 操作系统层：由操作系统程序实现，包含 “广义指令”（操作系统定义的软件指令），因此也称为 “混合层”；
- 汇编语言层：由汇编程序支持，可编写汇编语言源程序；
- 高级语言层：面向用户，由高级语言编译程序支持，方便用户编写应用程序；
- 应用程序层：由解决具体问题的处理程序（如文字处理、多媒体软件）组成。
其中，第 3~5 层属于虚拟机器（由软件实现的机器），仅对该层的 “观察者” 可见。层次间遵循 “下层是上层的基础，上层是下层的扩展” 的逻辑，而软件与硬件的界面是指令集体系结构（ISA）—— 它定义了计算机可执行的指令集合，以及操作数的地址空间和类型，是软件 “可见” 的硬件边界。
七、计算机系统的工作原理
“存储程序” 工作方式
程序执行需遵循 “存储程序” 逻辑：程序与数据需先送入主存储器，执行时计算机自动逐条取出并执行指令，过程包括 “取指令→译码→计算下条指令地址→取操作数并执行→结果送回存储器”，周而复始直至程序结束。
从源程序到可执行文件
以 C 语言程序（如hello.c）为例，需经历以下四个阶段转换为可执行文件：
- 预处理：预处理器（如
cpp）处理以#开头的命令（如#include），将头文件内容插入程序，生成.i文件（如hello.i）； - 编译：编译器（如
cc1）将预处理后的文件编译为汇编语言源程序（如hello.s）； - 汇编：汇编器（如
as）将汇编程序翻译为可重定位目标代码文件（如hello.o），该文件为二进制格式，无法直接用文本编辑器阅读； - 链接：链接器（如
ld）将多个目标文件（如hello.o）与标准库函数（如printf所在的printf.o）合并，生成可执行目标文件（如hello），最终存储于磁盘。
指令执行过程（以 “取数指令送入累加器 ACC” 为例）
指令执行是计算机工作的原子过程，以取数指令为例，其信息流程为：
- 取指令：
PC→MAR→M→MDR→IR。PC 的内容送入 MAR，主存储器根据 MAR 中的地址读出指令，经数据线送入 MDR，再传送到 IR 中； - 分析指令：
OP(IR)→CU。控制单元（CU）根据 IR 中指令的操作码，生成相应的控制信号，送至各执行部件； - 执行指令：
Ad(IR)→MAR→M→MDR→ACC。指令的地址码送入 MAR，主存储器读出操作数，经数据线送至 MDR，再传送到累加器 ACC 中。
执行完一条指令后，需计算下条指令地址（(PC) + 1→PC），为取下条指令做准备。需注意，(PC)表示程序计数器的当前内容，运算时括号不可省略（如(PC)+1→PC不能写为PC+1→PC），但描述数据通路时可简化。
八、总结
本文系统阐述了计算机系统的发展历程、组成结构和工作原理。硬件发展经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和超大规模集成电路四代演进，遵循摩尔定律持续提升性能。计算机系统采用冯·诺依曼架构，由硬件和软件协同工作，通过"存储程序"方式执行指令。软件体系包括系统软件和应用软件，语言发展经历了机器语言、汇编语言到高级语言三个阶段。计算机采用多级层次结构，从底层硬件到上层应用构建成完整系统。程序执行经历预处理、编译、汇编和链接四个阶段，指令执行遵循"取指-译码-执行"的循环过程。