学习内容

计算机的发展历史
计算机系统的硬件组成
计算机的软件系统
计算机系统的组织结构
计算机的特点和性能指标
计算机的分类与应用

计算机的发展历史

通常将计算机的发展按“代”划分为五个发展阶段。

1. 电子管时代（20世纪40年代中期∼50年代中期）
2. 晶体管时代（20世纪50年代末期∼60年代中期）
3. 中、小规模集成电路时代（20世纪60年代中期∼70年代中期）
4. 超大规模集成电路时代（20世纪70年代中期∼ 90年代初期）
5. 超级规模集成电路时代（20世纪90年代初期∼目前）

计算机硬件系统

计算机硬件系统主要包括计算机的五大部件以及将它们组织成计算机系统的体系结构。

1.输入设备的主要功能：将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机内
2.输出设备的主要功能：将计算机处理的结果以人们所能接受的信息形式或其它系统所要求的信息形式输出。
3.存储器
存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据，是计算机存储信息的核心。
存储器可分为：
主存储器(也称内存储器，简称内存、主存) CPU能够直接访问的存储器
辅助存储器(也称外存储器，简称外存、辅存) CPU不能直接访问的大容量、速度较慢的存储器。
辅助存储器帮助主存记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为CPU所使用。

主存分为若干个存储单元。每个单元都有自己唯一的地址编码。
每个主存单元的长度依机器而定。通常是一个字节或字节的若干倍。
存储器的访问方式
⑴ 按地址进行访问
如果需要对存储器某个单元进行读/写操作，必须首先给出被访问的存储单元的地址码。
⑵ 按内容进行访问
按所需内容对存储器的多个单元同时进行访问。能够进行按内容访问的存储器称为相联存储器。

存储体：存放二进制信息的主体
地址寄存器：存放所要访问的存储单元的地址码，由它经地址译码找到被选的存储单元。
数据寄存器：主存与其它部件的接口。用于暂存从存储器读出(取出)或向存储器中写入(存入)的信息。
控制逻辑：用于产生存储器操作所需各种时序信号。
4.运算器
运算器是计算机的执行部件，用于完成算术逻辑运算以及对数据的加工处理。
运算器的核心是算术逻辑部件 ALU (Arithmetic and Logical Unit) 。
运算器中设有若干寄存器，用于暂存操作数据和中间结果。
由于寄存器往往兼备多种用途，如用作累加器、变址寄存器、基址寄存器等，所以通常称为通用寄存器。

5.控制器(CU)
控制器是整个计算机的指挥中心。用于控制整个计算机系统中的各部件有条不紊地进行工作。
计算机控制器是根据事先编好的程序进行指挥的。

程序：就是解题步骤，控制器按着事先安排好的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。
程序按指令序列的形式存放在存储器中，控制器依次读出存储器中存放的程序指令实施控制。
这种工作方式称为存储程序方式。

存储程序思想

冯·诺依曼思想的基本要点：
(1)计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件组成。
CPU：运算器和控制器的统称。
计算机主机：CPU与主存储器(内存)的统称。
I/O设备：输入设备、输出设备、外存储器的统称为计算机的外部设备，简称为I/O设备。
(2)采用二进制形式表示数据和指令
指令是程序的基本单位，程序是若干指令的有序集合。冯·诺依曼结构计算机中，指令与数据均以二进制代码的形式同存于存储器中。两者在存储器中的地位相同，均可按地址访问。
指令由操作码和地址码两部分组成。操作码表示指令的操作性质，地址码表示操作数在存储器中的位置。
(3)采用存储程序方式
存储程序方式：在用计算机解题之前，事先编制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。在解题过程(运行程序)中，由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行，直到获得所要求的结果为止。
存储程序方式是冯·诺依曼思想的核心，是计算机能高速自动运行的基础。

早期冯·诺依曼提出的计算机结构是以运算器为中心的，其它部件都通过运算器完成信息的传递。

现代计算机组织结构逐步转变为以存储器为中心

现代计算机的基本结构仍然遵循冯·诺依曼思想

计算机软件系统

软件的作用
⑴ 软件在计算机系统中起着指挥和管理的作用。
⑵ 软件是计算机用户和硬件的接口界面。
⑶ 软件是计算机系统结构设计的主要依据。

在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了软件系统。基本的软件系统应包括系统软件与应用软件两大类。

系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。系统软件主要包括：
操作系统
语言处理系统
数据库管理系统
分布式软件系统
网络软件系统
各种服务程序

应用软件是指用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。
应用软件包括各种科学计算类程序、工程设计类程序、数据统计与处理程序、情报检索程序、企业管理程序、生产过程控制程序等。
由于计算机已应用到各种领域，因而应用程序是多种多样，极其丰富的。目前应用软件正向标准化、集成化方向发展，许多通用的应用程序可以根据其功能组成不同的应用软件包供用户选择使用。

硬件是计算机系统的物质基础
软件是计算机系统的灵魂

第 0 级 硬件操作时序
实际的硬件层，是硬件组成的实体。
第 1 级 微程序机器层实际的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。
第 2 级 传统机器语言层实际的硬件层，由微程序解释机器指令系统。
第 3 级 操作系统层由操作系统程序实现。操作系统程序是由机器指令和广义指令组成的。其中广义指令是为扩展机器功能而设置的，是由操作系统定义和解释的软件指令。这一层也称为混合层。
第 4 级 汇编语言层汇编语言是一种符号形式语言，用户借此可编写汇编语言源程序。这一层由汇编程序支持和执行。
第 5 级 高级语言层高级语言层为方便用户编写各类应用程序而设置的。它是面向用户的。该层由各种高级语言编译程序支持和执行。
第 6 级 应用语言层应用语言层是直接面向某个应用领域，为方便用户编写该应用领域的应用程序而设置的。由相应的应用软件包支持和执行。

高级语言程序

int fun2()
  {
   
     return 2;
  }
  int fun1(int a, int b, int c, int d, int e, int f, int g, int h, int i, int j, int k)
  {
   
     int aa;
     int bb;
     aa = 0x11; //17
    bb = 0x22; //34
    fun2();
    aa = h;
    bb = i;
    return 1;
  }

反汇编结果

在多级层次结构中，第0、1、2级是实机器，上面几层均为虚机器（虚拟机）。
虚机器：是指用软件技术构成的机器。
虚机器建立在实机器的基础上，利用软件技术扩充实机器的功能。从整体看就好像有了一台更强功能的机器，所以称它为虚机器。
机器语言层和操作系统层是虚、实机器的分界面。
软、硬件功能的分配，决定了虚、实机器的界面。
利用多级层次结构观点，可以在设计计算机系统时，明确哪些功能由硬件完成，哪些功能由软件完成。同样还可以明确在虚机器中各层次应完成的功能，上级应得到下级的哪些支持。
多级层次结构观点，对于了解掌握计算机的组成，设计一个良好的计算机系统结构有很大的帮助。