第一章 概论
1.1计算机的基本概念
硬件：看得见、摸得着且物理存在的设备实体，如运算器、控制 器、存储器和输入输出设备
软件：不能直接触摸但又确实存在的对象，如程序和文档
计算机硬件系统设计的基本原则：功能部件的逻辑化，即用逻辑电路构造各种部件，如用基本的门电路、触发器来构造运算器、控制器、存储器等。
计算机系统：由软件与硬件按层次组成一个复杂度计算机系统
计算机软件：操作系统、编程语言以及各种支撑软件等
计算机是如何工作的呢？不管你要做一次复杂的数据计算，还是大量的数据处理，都要先按照处理步骤，用编写语言编写程序，然后通过输入设备将程序和需要处理的数据送入计算机并放在存储器中。用户编写的程序称为源程序，是不能被计算机直接执行的。还要将源程序转换为机器指令、并将这些指令按一定顺序存放在存储器的若干个单元中。每个单元对应一个称为地址的固定编号，只要给出确定的地址，就能访问到相应的存储单元，对该单元的内容进行读/写。
至于如何读/写、如何控制、等诸多细节还得慢慢深究
当计算机启动运行后，控制器将某个地址传送往存储器，从该地址单元返回一条指令。控制器根据这条指令的含义，发出相应的操作命令，控制该指令的执。比如你要执行一条加法指令，就先从存储单元或寄存器取出操作数，送入运算器，再将两个操作数相加，并将运算结果送回存储单元或寄存器。如果用户需要了解处理结果，则计算机可通过输出设备（显示器打印机等），将结果显示在显示屏或打印在纸上 。
计算机作为一个能够自动处理信息的只能工具，它的设计过程必须考虑到很多因素。首先，信息如何表示，才能方便计算机识别和处理？其次，计算机硬件系统应该由哪些部件组成？每个部分的相互关系是怎样的？以及如何控制它们协同工作？再次，采用什么样的工作方式，才能使计算机能够自动地对信息进行处理。最后，应该提供怎样的人机交互接口，才能方便操作和使用？
1.1.1信息的数字化表示
计算机中的信息可分为控制信息和额数据信息。控制信息用来控制计算机的工作。计算机执行指令时，用指令等控制信息（微命令）控制有关操作，所以指令序列和微命令序列属于控制信息。数据信息是计算机加工处理的对象。操作数和操作数处理结果都属于数据信息。数据信息又可分为数值型数据和非数值型数据。
1.在计算机中用数字代码表示各类信息
这里数字代码也就是二进制，可以用来表示数值型数据、字符、图像、声音、指令、设备状态
2.在物理机上用数字信号表示数字代码
为什么数字代码可以表示给中信息呢？这就涉及到计算机的物理机制。计算机是一种复杂度电子线路，传送和处理的实际处理对象是电信号。电信号又分为模拟信号和数字信号。
数字信号无脉冲表示0，有脉冲状态表示1。可以 一用一组电平信号表示多位数字代码，也可以用一串脉冲信号表示多位数字代码。
3.用数字化方法表示信息的主要优点
（1)在物理上容易实现信息的表示与存储
（2）抗干扰能力强，可靠性高
（3）数值的表示范围大，表示精度高
（4）可表示的信息类型丰富
（5）能用数字逻辑技术进行信息处理
ps：从这个意义上来说，世界是数字的，它就是一堆0和1 The World is Digital
1.1.2存储程序工作方式
存储程序是计算机的核心内容，表明了计算机的工作方式，它包含三个要点：事先编制程序，存储程序，自动、连续地执行程序
（1）根据求解问题事先编制程序
计算机不知道自己要干什么，但是你知道，你可以做一个算法，告诉计算机什么时候、什么情况下从输入设备获取数据或向输出设备输出数据
（2）事先将程序存入计算机
用户把编写好的程序编译链接成可执行程序，保存在存储器中。这时的程序还不是指令代码，不能被计算机执行，还需进一步转换为机器指令序列。
（3）计算机自动、连续地执行程序
程序存储好后，不需要人工干预，就能自动】连续地从存储器中逐条读取指令，按指令要求完成相应操作，直到整个程序执行完成。
指令和数据都是以二进制代码的形式存放在存储器中断，那么计算机是如何区分它们的呢？又是如何自动地从存储器中读取指令呢？首先，将指令和数据分开存放。在多数情况下，程序是顺序执行的，因此大多数指令余姚依次相邻存放，数据放在另外的区间。其次，可以设置一个程序计数器*（program Counter*，PC）用它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序顺序执行，则在读取当前指令后将PC加1，指示下一条指令等地址。如果程序要转移，则将转移目标地址送入PC，以便按照转移地址读取后续指令。
1.1.3计算机的分类
数字计算机、模拟计算机、专用计算机、通用计算机
通用计算机有微型机、小型机、大型机、超级计算机
1.2计算机的诞生和发展
1.2.1冯诺依曼体系
要造出计算机、需要解决两个基本问题：第一，信息如何表示，才能方便计算机识别和处理；第二，采用什么工作方式，才能使计算机能自动地对信息进行处理
对上述两个问题的解决方案做出巨大贡献的是冯诺依曼。1944年冯诺依曼加入了美国军方ENIAC计算机研制项目。在此基础上，1945年提出了EDAVC(Electronic Discrete Vairable Automatic Coumpter),宣告了电子计算机时代的来临。
设计思想之一是信息采用二进制来表示。设计思想之二是程序存储的思想。由此提出计算机硬件系统五大部件（存储器、运算器、控制器、输 入设备、输出设备）
1.2.2计算机发展历程
1946宾夕法尼亚大学，世界上第一台严格意义上的电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical IIntegrator and Calculator)
1946~1957第一代电子管计算机
19581964第二代晶体管计算机
1965~1971第三代中小规模集成电路计算机
1971~至今第四代大规模和超大规模集成电路计算机
1.2.3未来的发展趋势
巨型化、微型化、多媒体化、网络化、智能化
1.3计算机系统的组织
1.3.1硬件系统
1.计算机硬件系统的基本组成
CPU、存储器、输入输出设备和接口功能等部件、各部件之间通过系统总线链接。
（1）CPU
CPU是计算机硬件系统的核心部件，CPU的主要功能室读取并执行指令，在执行指令的过程中，它向系统中的部件发出各种控制信息，收集各部件的状态信息，与各部件交换数据信息。
CPU由运算部件****、寄存器组和控制器组成，它们通过CPU内部的总线相互交换信息。运算器完成算术运算和逻辑运算。寄存器组用来存放数据细腻洗和控制信息。控制器 提供整个工作所需的各种微命令，这些命令可以通过组合逻辑电路产生，也可以通过执行微程序产生，也就是组合逻辑和微程序控制方式
（2）存储器
（3）输入/输出设备
（4）总线：任何时刻只能允许一个部件通过总线发送信息，否则会引起信息的碰撞；但允许多个部件同时从总线上接收信息。
（5）接口
2.典型的硬件系统结构及其特点
北桥为快桥，南桥为慢桥
（2）小型计算机的硬件体系架构
（3）超级计算机的硬件体系架构
1.3.2软件系统
1.系统软件
操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、各种服务性支撑软件、各种标准程序库
2.应用软件
1.3.3硬件、软件系统层次结构
1.从软件、硬件组成角度的层次结构模型
（1）自下而上，计算机系统的逐级生成过程
①拟订指令系统
②创建硬件系统
③配置操作系统
④配置语言处理程序及各种软件资源
⑤输入用户程序
（2）自上而下，应用计算机求解问题的过程
①系统级分析
②用户程序级
③操作系统级
④传统机器级
⑤硬件系统级
2.从语言功能角度划分的层次结构模型
所谓虚拟机，是指通过配置软件，扩充机器功能（如扩充某种语言功能）后所形成的一台计算机，而实际硬件在物理功能上并不具备这种语言功能
1.3.4硬件、软件功能划分与逻辑等价
1.4计算机的特点与性能指标
1.4.1计算机的特点
①能自动地执行程序
②运算速度快
③计算精度高
④存储能力强
⑤通用性好
1.4.2计算机的主要性能指标
基本字长、外频、CPU的运算速度、数据通路宽度与数据传输率、存储容量、外设配置、软件配置
参考文献：[1] 纪禄平.计算机组成原理.北京：电子工业出版社，2014.