计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。从1946年第一台电子计算机ENIAC诞生至今，计算机已经经历了七十多年的发展历程。

计算机发展的四个阶段：

第一代计算机（1946-1958年）：电子管时代。主要特点是采用电子管作为基本电子元件，体积庞大、功耗高、可靠性差、价格昂贵。代表机型有ENIAC、EDVAC、UNIVAC等。这一时期奠定了计算机的基本体系结构，即冯·诺依曼体系结构。

第二代计算机（1958-1964年）：晶体管时代。晶体管取代电子管，使计算机体积缩小、功耗降低、可靠性提高。出现了高级程序设计语言，如FORTRAN、COBOL等。代表机型有IBM 7090、CDC 6600等。

第三代计算机（1964-1971年）：集成电路时代。采用小规模和中规模集成电路（SSI/MSI），计算机体积进一步缩小，性能大幅提升。操作系统开始成熟，出现了多道程序设计技术。代表机型有IBM 360系列、PDP-8等。

第四代计算机（1971年至今）：大规模和超大规模集成电路时代。采用LSI/VLSI技术，微处理器诞生，个人计算机普及。网络技术、多媒体技术、人工智能等新技术不断涌现。代表产品有Intel 4004、IBM PC、现代多核处理器等。

计算机系统是一个复杂的层次化系统，从底层硬件到高层软件，可以分为多个层次：

第0层：数字逻辑层

这一层是计算机的最底层，由门电路、触发器等数字逻辑元件组成。这些元件实现基本的逻辑运算（与、或、非）和存储功能。数字逻辑层的设计直接影响计算机的速度、功耗和成本。

第1层：微体系结构层

也称为微程序层或硬件控制层。这一层实现指令的具体执行过程，包括取指、译码、执行、写回等操作。现代计算机普遍采用微程序控制技术，将复杂指令分解为一系列微操作。

第2层：指令系统层

这是机器语言层，是硬件和软件的分界面。指令系统定义了计算机能够执行的全部指令集合，包括数据传送指令、算术逻辑运算指令、控制转移指令、输入输出指令等。程序员可以通过机器语言直接控制计算机硬件。

第3层：操作系统层

操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，负责管理计算机的硬件资源和软件资源，提供用户接口，支持多任务并发执行。主要功能包括进程管理、存储管理、文件管理、设备管理等。

第4层：汇编语言层

汇编语言是机器语言的符号化表示，使用助记符代替二进制操作码，使用符号地址代替绝对地址。汇编语言程序需要通过汇编程序翻译成机器语言才能执行。

第5层：高级语言层

高级语言接近人类自然语言和数学语言，易于学习和使用。常见的高级语言有C、C++、Java、Python等。高级语言程序需要通过编译程序或解释程序转换成机器语言。

第6层：应用层

这是最上层，包括各种应用软件，如办公软件、图形图像软件、数据库软件、网络软件等。用户通过应用软件与计算机系统交互，完成各种实际任务。

1945年，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John von Neumann）提出了存储程序计算机的概念，奠定了现代计算机的基本结构。冯·诺依曼体系结构的主要特点包括：

（1）计算机由五大部件组成

1. 运算器：执行算术运算和逻辑运算
2. 控制器：控制计算机各部件协调工作
3. 存储器：存储程序和数据
4. 输入设备：将外部信息输入计算机
5. 输出设备：将计算机处理结果输出

（2）采用存储程序原理 程序和数据以同等地位存放在存储器中，计算机可以在程序控制下自动从存储器中取出指令并执行。这是冯·诺依曼体系结构最核心的思想。

（3）指令和数据用二进制表示 计算机内部采用二进制表示指令和数据，简化了硬件设计，提高了可靠性。

（4）指令由操作码和地址码组成 操作码指明指令的操作性质，地址码指明操作数的地址。

（5）以运算器为中心 早期的冯·诺依曼计算机以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据。

现代计算机硬件系统主要由以下部分组成：

中央处理器（CPU）

CPU是计算机的核心部件，包含运算器和控制器。现代CPU还集成了高速缓存（Cache）、浮点运算单元、内存管理单元等。CPU的主要性能指标包括主频、字长、核心数、缓存容量等。

主存储器（内存）

主存储器用于存放正在运行的程序和数据。目前主要采用半导体存储器，包括DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。内存容量和速度是影响计算机性能的重要因素。

辅助存储器（外存）

辅助存储器用于长期存储程序和数据，包括硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘、U盘等。辅助存储器容量大、价格低，但访问速度比内存慢。

输入设备

常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、麦克风等。输入设备负责将外部信息转换为计算机能够识别的数字信号。

输出设备

常用的输出设备有显示器、打印机、音箱等。输出设备负责将计算机处理结果转换为人类可识别的形式。

系统总线

系统总线是连接计算机各部件的公共通道，包括数据总线、地址总线和控制总线。总线的带宽直接影响系统的数据传输能力。

主板

主板是计算机的基础平台，上面安装了CPU插槽、内存插槽、扩展插槽、芯片组等。主板的设计决定了计算机的扩展能力和兼容性。

评价计算机性能的主要指标包括：

字长

字长是指CPU一次能够处理的二进制数据的位数。字长越长，计算精度越高，处理能力越强。常见的字长有8位、16位、32位、64位等。现代计算机普遍采用64位字长。

主频

主频是指CPU的时钟频率，单位是赫兹（Hz）。主频越高，CPU的运算速度越快。但主频并不是衡量性能的唯一指标，还与CPU的微架构、缓存大小等因素有关。

运算速度

通常用每秒执行的指令数（IPS）或每秒浮点运算次数（FLOPS）来衡量。常见的单位有MIPS（百万条指令每秒）、MFLOPS（百万次浮点运算每秒）、GFLOPS、TFLOPS等。

存储容量

包括内存容量和外存容量。内存容量影响计算机能够同时运行程序的数量和规模，外存容量决定能够存储数据的多少。

存取周期

存储器完成一次读或写操作所需的时间。存取周期越短，存储器速度越快。

数据传输率

单位时间内传输的数据量，通常用字节/秒（B/s）或位/秒（bps）表示。数据传输率受总线宽度、总线频率等因素影响。

响应时间

从用户提交请求到系统给出响应所需的时间。响应时间越短，系统的交互性能越好。

吞吐量

单位时间内系统能够处理的工作量。吞吐量越高，系统的处理能力越强。

系统软件是管理、控制和维护计算机硬件和软件资源的软件，主要包括：

操作系统（Operating System）

操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，是用户和计算机硬件之间的接口。主要功能包括：

1. 进程管理：负责进程的创建、调度、同步和通信
2. 存储管理：负责内存的分配、回收和保护
3. 文件管理：负责文件的存储、检索、共享和保护
4. 设备管理：负责设备的分配、控制和数据传输
5. 用户接口：提供命令行接口和图形用户接口

常见的操作系统有Windows、Linux、macOS、Android、iOS等。

语言处理程序

将高级语言或汇编语言编写的程序翻译成机器语言程序的程序。包括：

1. 汇编程序：将汇编语言程序翻译成机器语言程序
2. 编译程序：将高级语言程序整体翻译成机器语言程序
3. 解释程序：逐条解释执行高级语言语句

数据库管理系统（DBMS）

用于管理数据库的软件系统，提供数据的定义、操纵、控制和维护功能。常见的DBMS有MySQL、Oracle、SQL Server、PostgreSQL等。

系统实用程序

用于系统维护和管理工具程序，如磁盘清理工具、磁盘碎片整理工具、系统监控工具、杀毒软件等。

应用软件是为解决特定问题而开发的软件，包括：

办公软件：如Microsoft Office、WPS Office等，用于文档处理、表格计算、演示制作等。

图形图像软件：如Photoshop、AutoCAD、3ds Max等，用于图像处理、工程设计、三维建模等。

多媒体软件：如Premiere、Audition等，用于音视频编辑处理。

网络软件：如浏览器、邮件客户端、即时通讯软件等。

行业专用软件：如财务管理软件、ERP系统、医疗信息系统等。

软件开发过程 软件开发通常包括需求分析、系统设计、编码实现、测试验证、运行维护等阶段。常用的开发方法有结构化方法、面向对象方法、敏捷开发方法等。

程序设计语言 程序设计语言是人与计算机交流的工具。按级别可分为机器语言、汇编语言、高级语言；按范式可分为命令式语言、函数式语言、逻辑式语言、面向对象语言等。

集成开发环境（IDE） IDE集成了编辑器、编译器、调试器等多种工具，提高开发效率。常见的IDE有Visual Studio、Eclipse、IntelliJ IDEA、PyCharm等。

计算机执行程序的基本过程是：取指令、分析指令、执行指令、取下一条指令，如此循环直到遇到停机指令。

取指令阶段

根据程序计数器（PC）中的地址，从内存中读取下一条指令到指令寄存器（IR），同时PC自动增量指向下一条指令。

分析指令阶段

对指令寄存器中的指令进行译码，确定该指令要完成的操作和操作数的地址。

执行指令阶段

根据译码结果，发出控制信号，控制运算器、存储器、输入输出设备等完成指令规定的操作。

写回阶段

将运算结果写回寄存器或存储器。

程序装入

操作系统将程序从外存加载到内存，建立进程控制块，分配必要的资源。

程序执行

CPU从程序的入口地址开始，按顺序取指令、执行指令。遇到转移指令时，改变程序的执行顺序；遇到输入输出指令时，调用相应的设备驱动程序。

中断处理

当外设完成数据传输或发生异常情况时，向CPU发出中断请求。CPU响应中断后，保存当前执行状态，转去执行中断服务程序，处理完后再返回原程序继续执行。

程序结束

程序执行完毕或遇到错误时，操作系统回收资源，撤销进程。

通用计算机

适用于各种应用领域，如个人计算机、服务器等。特点是软件丰富、通用性强、性价比高。

专用计算机

针对特定应用设计，如嵌入式系统、工业控制计算机等。特点是专用性强、实时性好、可靠性高。

超级计算机

具有极强的计算能力，用于科学计算、天气预报、核武器模拟等领域。如中国的“神威·太湖之光”、美国的“顶点”（Summit）等。

大型机

具有高可靠性、高可用性、高服务性，用于银行、电信等关键业务领域。如IBM z系列。

小型机

规模介于大型机和微型机之间，用于部门级应用。如IBM AS/400、HP 9000等。

工作站

高性能的单用户计算机，用于工程设计、图形处理等专业领域。

微型计算机

以微处理器为核心，包括台式机、笔记本、平板电脑等。是目前应用最广泛的计算机类型。

嵌入式计算机

嵌入到其他设备中的专用计算机，如智能手机、智能家电、汽车电子等。

数字计算机

处理离散的数字量，精度高、通用性强。现代计算机大多是数字计算机。

模拟计算机

处理连续的物理量，如电压、电流等。运算速度快但精度较低，现已很少使用。

混合计算机

结合数字计算机和模拟计算机的优点，用于特定应用领域。

例题1：简述冯·诺依曼体系结构的特点。

解答：冯·诺依曼体系结构的主要特点有：

（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成；

（2）采用存储程序原理，程序和数据存放在同一存储器中；

（3）指令和数据采用二进制表示；

（4）指令由操作码和地址码组成；

（5）以运算器为中心（早期）。

其中，存储程序原理是最核心的思想，它使得计算机可以自动连续地执行程序，是通用计算机的基础。

例题2：某计算机字长为32位，主频为3GHz，平均每条指令需要4个时钟周期。求该计算机的运算速度（MIPS）。

解答：

$时钟周期 = 1 / 主频 = 1 / (3 × 10^9) 秒$

$每条指令执行时间 = 4 × 时钟周期 = 4 / (3 × 10^9) 秒$

$运算速度 = 1 / 每条指令执行时间 = (3 × 10^9) / 4 = 750 × 10^6 指令/秒 = 750 MIPS$

例题3：说明计算机系统层次结构中各层的主要功能。

解答：

第0层数字逻辑层：实现基本逻辑运算和存储功能；

第1层微体系结构层：实现指令的具体执行过程；

第2层指令系统层：定义计算机的指令集合，是软硬件接口；

第3层操作系统层：管理软硬件资源，提供用户接口；

第4层汇编语言层：机器语言的符号化表示；

第5层高级语言层：接近自然语言的程序设计语言；

第6层应用层：面向用户的各种应用软件。

核心概念：

1. 冯·诺依曼体系结构的五大部件和存储程序原理
2. 计算机系统的层次结构
3. 硬件系统的主要组成部分
4. 软件系统的分类

关键知识点：

1. 计算机发展的四个阶段及其特点
2. CPU、存储器、输入输出设备的功能
3. 字长、主频、运算速度、存储容量等性能指标
4. 系统软件与应用软件的区别
5. 指令的取指、译码、执行过程

学习要点：

1. 理解冯·诺依曼体系结构的核心思想及其对现代计算机的影响
2. 掌握计算机各组成部分的功能和相互关系
3. 了解计算机系统的层次结构及其意义
4. 熟悉计算机的主要性能指标及其含义

思考题：

1. 为什么说存储程序原理是冯·诺依曼体系结构最核心的思想？
2. 现代计算机与早期冯·诺依曼计算机相比有哪些改进？
3. 计算机系统的层次化设计有什么优点？
4. 如何综合评价一台计算机的性能？