计算机体系结构的历史与基本概念

"该资源是关于计算机体系结构的PPT课件，由教师张长明制作，涵盖了计算机体系结构的基本概念、发展历程、成本和价格的影响因素以及并行性的提升。内容包括从第一代到第五代计算机的主要特征，强调了计算机性能提升主要依赖于器件变革和系统结构改进。" 计算机体系结构是研究计算机系统硬件组件如何组织和交互的学科，它是从程序员视角观察计算机硬件的抽象模型。在计算机科学中，计算机体系结构的发展历程是理解现代计算机工作原理的关键。 计算机体系结构的发展可以追溯到20世纪40年代，经历了五个主要阶段。第一代计算机基于电子管和继电器，采用单一CPU和顺序运算方式。第二代引入了晶体管和磁芯存储，增加了变址寄存器和浮点运算功能。第三代普及了微程序控制，引入了流水线、高速缓存和先行处理。第四代采用大规模集成电路，出现并行计算机结构，如共享存储器系统。第五代计算机则进一步发展大规模并行处理，如SMP（对称多处理器）、MPP（大规模并行处理）和计算机网络，这些系统允许更高效的并发执行。 在计算机性能提升方面，1965年至1975年间，器件延迟显著下降，而计算机指令速度的提升更为显著，这表明系统结构的改进起着决定性作用。这种趋势持续至今，计算机性能每年以50%的速度增长，其中42%的提升归功于系统结构设计的进步，而不仅仅是器件技术的提升。 计算机体系结构的概念中，有多个抽象层次，从应用层面的软件到最底层的微程序机器级。软件层包括应用语言虚拟机、高级语言虚拟机、操作系统虚拟机和汇编语言虚拟机，这些层级为用户提供不同级别的抽象，使得编程和系统管理更为便捷。在硬件层面，机器语言通常对应于微指令集，微程序直接由硬件解释执行，构成了硬件与软件之间的桥梁。 总结来说，计算机体系结构的发展和改进是推动计算机性能提升的核心驱动力，它涉及到硬件组件的创新、并行处理技术的应用以及多层次的软件抽象。通过深入理解这些概念，我们能够更好地设计、优化和利用现代计算机系统。