Day1-计算机系统概述

计算机的特性：高速、通用、准确和智能等特性。

• 高速：计算机内部核心部件都是采用高速的电子元器件组成，保证了快速处理能力。
• 通用：现实问题只要能步骤化且保证步骤的有限性，就可以编制成程序通过计算机硬件自动执行得以解决。
• 准确：编程语言具有严格的执行顺序，而且没有二义性，能唯一确定指令的执行顺序。
• 智能：计算机不仅可以执行算术运算，且可以执行逻辑运算，具有逻辑判断能力。

计算机处理的对象是数字化信息，计算机具有数据处理，数据处理和数据传送三种基本功能。这些基本功能都是通过计算机硬件自动执行程序中所含指令来完成的。

计算机系统的组成

计算机系统由硬件和软件两部分组成。

• 硬件（Hardware)：计算机的实体部分，人眼可见的板卡、芯片、电缆等属于计算机硬件
• 软件（Software）：运行在计算机硬件上的程序和数据以及相关文档。

计算机硬件基本组成

冯·诺依曼结构（也称普林斯顿结构）

基本思想：

1. 采用“存储程序”工作方式
2. 计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分组成
3. 控制器应可以自动执行指令; 运算器应可以执行加减乘除4种算术运算还可以执行逻辑运算;存储器不仅能存储数据，还可以存储指令，数据和指令在形式上并没有区别，但是计算机应能区分她们。
4. 计算机内部采用二进制形式表示指令和数据；每条指令由操作码和地址码组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。

现代计算机硬件组成

现代计算机由中央处理器（CPU）、存储器、外部设备和总线组成。

• 中央处理器（Central Processing Unit, CPU）：是整个计算机的核心部分，主要用于指令的执行。主要包括数据通路的控制器。
  • 数据通路（DataPath）：指令执行过程中，数据所流经的部件，包括各种运算部件。比较重要的是ALU
    • 算术逻辑部件（Arthmetic Logic Unit，ALU），用于进行基本的算术运算和逻辑运算，ALU中最重要的是加法器，因为其他算术运算都可以基于加法运算和逻辑运算来实现。
  • 控制器（Controller）：用来对指令进行译码，生成相应的控制信号，以控制数据通路进行特定的操作。
• 存储器（Memory)：用于存放指令和数据，分为内存和外存。
  • 内存：包括主存储器（Main Memory）和高速缓冲存储器（Cache）。早期计算机中并没有Cache，所以主存就是内存，也就是插在主板上的内存条。
  • 外存：包括辅助存储器和海量后备存储器
    • 辅助存储器：系统运行时直接与内存交换信息的存储器，如磁盘存储器和固态硬盘
    • 海量后备存储器：主要用于信息的备份和脱机存档。如CD、DVD等。
• 外部设备（Device）：连接在主机（CPU+存储器）上的其他设备统称为外部设备，如输入设备键盘鼠标、输出设备打印机显示器等。每个设备都需要相应的控制逻辑来控制设备如何工作，这里的控制逻辑成为I/O适配器或I/O控制器，统称为设备控制器。
• 总线（Bus）：传输信息的通路，用于在各部件之间传输信息。CPU、主存和I/O模块通过总线相连。

计算机软件

软件的分类

根据软件的用途，可以将软件分为系统软件和应用软件。

• 系统软件：包括为有效、安全的使用和管理计算机以及为开发和运行应用软件而提供的各种软件，介于计算机硬件与应用软件之间，与具体应用关系不大。
  • 操作系统（Operating System，OS）：主要用于管理整个计算机系统的资源，包括对它们进行调度、管理、监视和服务等；除此之外，还提供计算机用户与硬件之间的人机交互界面；并提供对应用软件的支持。
  • 语言处理系统：主要用于提供一个高级语言编程的环境，包括源程序编辑、翻译、调试、链接和装入运行等功能。
  • 数据库管理系统：顾名思义，主要用来管理数据库。
  • 各类实用程序（磁盘碎片整理程序、备份程序等）
• 应用软件：指专门为数据处理、科学计算等应用所编写的各类程序，用于特定场景的任务处理。比如聊天工具QQ，办公程序Office。

计算机系统的层次结构

计算机系统是一个层次结构系统，通过向上一层用户提供一个抽象的简洁接口而将较低层次的实现细节隐藏起来。计算机解决问题的过程就是不同抽象层进行转换的过程。

不同的用户处在不同的工作层次，感知到的层次也不同。

透明：在计算机技术中，一个存在的事物或概念从某个角度看似乎不存在或看不见，则称为透明。

计算机系统的层次结构

编程语言（Programming Language)

编程语言是人与计算机进行交流的工具。根据抽象层次可以分为高级语言和低级语言。

• 高级语言（High-Level Language）：和底层计算机结构关系不大，是机器无关语言，现在大部分编程语言都是高级语言。因为高级语言更贴近自然语言有更高的可读性。
• 低级语言（Low-Level Language）：和运行计算机底层接哦股密切相关，也称为机器级语言（Machine-Level Language），机器语言和汇编语言都属于机器级语言。
  • 机器语言：使用二进制进行编码的机器指令
  • 汇编语言：通过简短的英文符号和二进制代码建立对应关系，以方便程序员编写和阅读机器语言程序

指令集体系结构（Instruction Set Architecture）

ISA是软件和硬件的交界面，是软件和硬件之间接口的一个完整定义。定义了一台计算机可执行的所有指令的集合，每条指令规定了计算机执行什么操作，以及所处理的操作数存放的地址空间和类型。

微体系结构（Microarchitecture）

微体系结构简称微架构是ISA的具体实现组织。相同的ISA可能具有不同的微架构。微架构最终都是由逻辑电路实现的。