计算机系统结构：第1章概述与发展历程

本篇计算机系统结构课件的第一章主要介绍了计算机系统结构的基本概念，包括发展历程、关键技术以及层次结构。章节开始以历史背景为线索，讲述了第一台通用电子计算机的诞生及其对后续发展的推动作用，强调了计算机技术的快速进步得益于制造技术和系统结构的创新。 在20世纪46年至70年代末，计算机性能的提升主要得益于制造技术的进步，如大规模集成电路的引入，导致性能增长约为25%。然而，进入80年代，随着RISC（精简指令集计算机）结构的出现和系统结构的不断创新，性能增长加速到50%以上，维持了约16年。然而，到了21世纪初，由于功耗问题、指令级并行性的开发限制以及存储器访问速度的缓慢，系统结构开始面临重大转折，从单纯依赖指令并行转向线程级并行和数据级并行的发展。 计算机系统被定义为硬件、固件和软件的结合，其结构具有明显的层次，包括应用语言虚拟机（如Java或Python）、高级语言虚拟机、汇编语言虚拟机、操作系统虚拟机、机器语言（传统机器级别）和最底层的微程序机器级别。其中，虚拟机是软件模拟的机器，提供了不同语言之间的桥梁。有两种基本的语言实现技术：翻译和解释。翻译技术将高层次代码转换为低层次代码后执行，虽然初始时间较长，但占用存储空间少；解释则实时执行，但执行速度相对较慢。 经典定义指出，程序员在设计和编程时会关注这些层次，因为他们面对的是一个多层次的抽象系统，每一层都有其特定的语言特性。通过理解这些概念，学生能够深入认识计算机系统的工作原理，从而更好地设计和优化现代计算机架构。