计算机系统基础概述

什么是计算机？

计算机是一种利用电子技术进行信息处理的设备，它能够接收、存储、处理和提供数据。计算机通过执行一系列预定义的指令来处理数据，这些指令通常被称为程序。计算机的核心功能包括算术运算、逻辑判断、数据存储和信息检索

计算机发展历程

计算机的发展历程可以划分为几个重要的阶段，每个阶段都有其标志性的技术和里程碑事件

原始计算时代：在这个阶段，人类使用结绳、垒石、算筹等方法进行计数和计算。中国古代的算盘是这一时期的重要发明，它采用了十进制计算，极大地提高了计算效率。
机械计算机时代：17世纪，随着机械技术的发展，出现了机械式计算机。这些计算机能够进行基本的算术运算，但速度慢且功能有限。
电子管计算机时代（1946-1957）：这一时期的标志性发明是ENIAC（电子数字积分计算机），它于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生，主要用于军事和科学研究。ENIAC使用了约18800个电子管，虽然体积庞大、耗电量大，但运算速度快，是当时最快的计算机。
晶体管计算机时代（1958-1964）：随着晶体管的发明，计算机的体积减小，成本降低，可靠性提高。这一时期还出现了如FORTRAN和ALGOL等程序设计语言，使得计算机编程变得更加便捷。
中小规模集成电路计算机时代（1965-1970）：半导体工艺的发展带来了集成电路，计算机的速度更快、体积更小，开始广泛应用于社会各个领域。
大规模超大规模集成电路计算机时代（1970至今）：这一时期的计算机采用了大规模和超大规模集成电路，性能得到了极大的提升，运算速度更快、体积更小、价格更亲民。个人电脑的普及改变了人们的工作和生活方式。
新一代计算机：随着人工智能、机器学习、量子计算等技术的发展，计算机科学正在迈向新的高峰。新一代计算机的特点包括智能化、多媒体化、网络化、微型化和巨型化

当今计算机行业的两极分化发展趋势：

微型化、多用途方向：

微型计算机的发展，它们正变得更加微型化，同时具备多种用途。这可能涉及到便携式设备、嵌入式系统、物联网设备等，这些设备通常体积小、能耗低，但功能多样化，能够满足个人消费者和特定行业的需要。

巨型化、超高速、并行处理、智能化方向：

巨型计算机的发展，这些计算机变得更为强大，具有超高速的计算能力、并行处理能力和智能化特征。这通常涉及到高性能计算（HPC）系统，如超级计算机，它们被用于科学研究、复杂模拟、大数据分析等领域，需要处理庞大的数据集和复杂的计算任务

什么是计算机系统？

计算机系统是一个复杂的集合体，它由硬件和软件组成，用于处理数据、执行计算、存储信息和执行各种任务

1.硬件（Hardware）：

中央处理单元（CPU）：计算机的大脑，负责解释和执行指令。
内存（RAM）：临时存储数据和程序，以便CPU快速访问。
存储设备：如硬盘驱动器（HDD）、固态驱动器（SSD）和光盘，用于长期保存数据。
输入设备：如键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪等，用于向计算机输入数据。
输出设备：如显示器、打印机、扬声器等，用于向用户提供信息。
网络接口：如以太网端口、Wi-Fi模块，用于连接到网络和其他设备。
电源供应单元（PSU）：为计算机的所有组件提供电力。

2.软件（Software）：

按照功能分类：

操作系统软件：如Windows、macOS、Linux等，是管理计算机硬件资源和提供用户界面的软件。
应用程序软件：如文字处理软件（Microsoft Word）、网页浏览器（Google Chrome）、图像编辑软件（Adobe Photoshop）等，用于执行特定任务
实用工具软件：如磁盘清理工具、系统优化工具、备份和恢复工具等，用于维护和优化计算机性能。
驱动程序（Drivers）：如显卡驱动、声卡驱动等，用于确保硬件设备与操作系统之间的兼容性和通信。

3.系统架构（System architecture）：

冯·诺依曼架构：

早期冯·诺依曼机

特点：程序指令和数据一起存储在计算机内部的存储器中，使得计算机能够自动按照程序的指令执行操作

程序存储：程序指令以代码形式存储在计算机的主存储器中，按顺序执行，直至程序结束。这种存储程序的思想是由冯·诺依曼提出的，并成功应用于计算机设计之中，因此这类计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。
五大核心组件：冯·诺依曼体系结构定义了计算机系统的五个关键组成部分，包括中央处理单元（CPU）、内存（Memory）、输入设备、输出设备和存储设备。CPU是计算机的“大脑”，负责执行存储在内存中的指令。内存用于存储程序和数据，而输入输出设备则负责与用户进行交互。
二进制运算：冯·诺依曼机采用二进制编码表示指令和数据，采用二进制运算。指令由操作码和地址码组成，操作码表示操作的类型，地址码表示操作数和操作结果的地址。
顺序执行与分支：指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的存储单元的地址。一般情况下，每执行完一条指令，指令计数器顺序递增。指令的执行顺序可按运算结果或外界条件而改变，但是解题的步骤仍然是顺序的。
运算器中心：机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器之间的数据传送都通过运算器

现代计算机结构（在冯·诺依曼体系的基础上发展）

并行处理技术：为了突破冯·诺依曼结构中顺序执行指令的局限性，现代计算机广泛采用了并行处理技术，如超标量架构（Superscalar）、流水线（Pipelining）、多线程（Multithreading）、多核处理器（Multicore Processing）和向量处理（Vector Processing）等，以提高指令执行的效率和数据处理的吞吐量。
存储层次结构：现代计算机采用了复杂的存储层次结构，包括寄存器、缓存（Cache）、主存储器（RAM）和辅助存储器（如硬盘和固态硬盘）。缓存的使用显著提高了处理器访问数据的速度，而虚拟内存技术则允许计算机使用比物理内存更大的地址空间。
输入/输出系统的改进：现代计算机通过直接存储器访问（DMA）和输入/输出处理机等技术，减少了CPU在输入输出操作中的负担，提高了系统的吞吐率和效率。
指令集的发展：现代计算机的指令集架构（ISA）分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）两大流派。CISC通过硬件实现更多功能的复杂指令集，而RISC则侧重于简化指令集，提高指令的执行效率。
多处理机和集群系统：为了进一步提高计算能力，现代计算机系统结构还包括多处理机系统和集群系统，这些系统通过互连网络连接多个处理器或计算机节点，共同协作完成任务

哈佛架构：

哈佛架构（Harvard Architecture）是一种计算机存储器体系结构，其核心特点是将程序指令存储和数据存储物理上分开，各自拥有独立的存储器和总线系统。这种设计允许CPU在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高执行速度和数据吞吐率

双独立存储空间：指令存储器和数据存储器是两个物理上独立的存储区域，分别用来存储程序指令和程序运行所需的数据。

独立编址：指令存储器和数据存储器各自拥有独立的地址空间，这意味着它们的地址范围不重叠，且访问指令和访问数据时使用不同的地址。

并行访问：由于采用了独立的总线和访问通道，处理器可以在同一时刻从指令存储器加载下一条要执行的指令，同时从数据存储器读取或写入操作数，实现了指令和数据的并行访问，显著提升了数据吞吐率和指令执行速度。

广泛应用于嵌入式系统：哈佛架构特别适用于对实时性要求高、数据处理速度快的嵌入式系统，如微控制器（如AVR）、数字信号处理器（DSP）以及部分高性能嵌入式处理器（如ARM9、ARM10、ARM11等）

计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构是一个抽象的概念，它帮助我们理解计算机系统是如何组织和运作的

1.物理层（Hardware Layer）

中央处理单元（CPU）
内存（Memory）
存储设备（Storage Devices）
输入/输出（I/O）设备：
网络接口
电源供应

2. 操作系统层（Operating System Layer）

操作系统层位于硬件之上，是管理和抽象硬件资源的软件。操作系统的主要功能包括：

资源管理：管理CPU时间、内存空间、存储空间和其他I/O资源。
进程管理：允许多个程序同时运行，通过创建、调度和终止进程来实现。
设备驱动：为硬件设备提供标准的接口，使得应用程序能够使用这些设备，而无需关心具体的硬件细节。
文件系统管理：管理文件和目录的存储、检索和更新。
用户接口：提供命令行界面（CLI）或图形用户界面（GUI），使用户能够与操作系统交互。
系统调用：为应用程序提供一组API，允许它们请求操作系统的服务。

操作系统是用户程序与硬件之间的桥梁，它隐藏了硬件的复杂性，为应用程序提供了一个更易于管理和使用的抽象层

3.应用程序层（Application Layer）

应用程序层包括所有用户直接使用的软件。这些应用程序运行在操作系统之上，为用户提供特定的功能和服务。应用程序层的例子包括：

办公软件：如文字处理、电子表格和演示文稿软件。
数据库管理系统：用于存储、检索和管理数据。
网页浏览器：用于访问和浏览互联网上的资源。
媒体播放器：用于播放音频和视频文件。
开发工具：如编程语言、集成开发环境（IDE）和调试器。
游戏：提供娱乐和休闲的软件

应用程序层是用户与计算机系统交互的最直接层面，它满足了用户在工作、学习和娱乐等方面的需求

4.网络层（Network Layer）

网络层涉及计算机系统如何连接和通信。这包括网络硬件、协议和标准，它们使得计算机能够相互连接和交换数据。网络层的关键组件包括：

网络协议：如TCP/IP，定义了数据在网络中传输的规则和标准。
通信标准：如以太网、Wi-Fi，规定了数据传输的物理和数据链路层的细节。
路由器和交换机：网络设备，负责在网络中转发数据包。
网络接口：如前面提到的网卡，它们使计算机能够连接到网络。
网络安全：包括防火墙、加密和认证机制，保护网络通信的安全和隐私。

网络层使得计算机系统能够扩展到更广泛的环境，如企业网络、互联网等。

5.用户层（User Layer）

用户层是用户与计算机系统交互的界面。它关注用户的体验和满意度，包括：

用户界面（UI）：设计用于帮助用户与系统交互的视觉元素，如窗口、按钮、菜单和图标。
用户体验（UX）：涉及用户使用系统时的整体体验，包括易用性、可访问性和满意度。
交互设计：研究用户如何与系统交互，并设计出直观、高效的交互方式。
辅助功能：为残障用户提供支持，如屏幕阅读器、语音识别和大字体。
个性化：允许用户根据自己的喜好和需求定制界面和功能。

用户层是计算机系统与用户之间的直接联系点，它的设计直接影响用户的满意度和效率。

编程语言发展的概述

机器语言（1940年代之前）：最早期的编程语言是机器语言，它由0和1组成的二进制代码构成，计算机可以直接执行，但对人类来说极其难以理解和编写。
汇编语言（1940年代）：为了简化编程，出现了汇编语言。它使用助记符代替机器指令的二进制代码，使得编程工作稍微人性化了一些，但仍然与特定硬件紧密相关，难以移植。
高级编程语言（1950与1960年代）：1950年代出现了第一批高级编程语言，如Fortran（1955年）、LISP（1958年）和COBOL（1959年）。这些语言使用更接近人类语言的语法，极大地提高了编程效率。
结构化编程与面向对象编程（1967-1978）：1960年代晚期至1970年代晚期，编程语言的发展确立了基础范型，如支持面向对象开发的Simula、系统编程语言C（1969-1973年）、Smalltalk和逻辑编程语言Prolog。
增强、模块、性能（1980年代）：1980年代，C++（1983年）合并了面向对象和系统程序设计，Ada（1980年）被标准化用于国防承包，函数式编程语言如ML和Lisp得到发展。
互联网时代（1990年代）：1990年代，随着互联网的兴起，许多以提升程序员生产力为目标的语言出现，如Python（1991年）、Java（1995年）、JavaScript（1995年）和PHP（1995年）。
现代趋势（2000年代至今）：21世纪以来，编程语言持续发展，出现了如C#（2001年）、F#（2002年）、Scala（2003年）、Go（2009年）和Swift（2014年）等语言。这些语言注重安全性、模块化、并发性和移动应用开发。