计算机系统概览：从冯诺依曼体系到现代架构

"计算机专业课思维导图1" 计算机科学领域涵盖广泛，其中计算机系统概述是基础，它涉及了计算机的发展历程、层次结构以及硬件和软件组成。从电子管到晶体管，再到集成电路和大规模集成电路，计算机技术的进步遵循着摩尔定律，即集成电路上可容纳的晶体管数目大约每两年翻一番，这极大地推动了计算机性能的提升。 计算机系统分为多个层次，从硬件角度来看，主要包括运算器、控制器、存储器（包括内存和外存）、输入设备和输出设备。冯诺依曼体系结构是其中的核心，它定义了指令和数据以二进制形式存储，并按照地址顺序访问。指令通常由操作码和地址码两部分组成，存储在内存中。早期的计算机设计以运算器为中心，而现代计算机系统更倾向于以存储器为中心，IO设备可以直接与存储器交互，减少对CPU的依赖。 软件方面，可以分为系统软件和应用软件两大类。系统软件如操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）、语言处理程序等，它们负责管理硬件资源、提供用户接口和应用程序开发环境。应用软件则包括各种特定用途的程序，如科学计算和日常事务处理。编程语言经历了从机器语言、汇编语言到高级语言的演进，使得程序员能够以更接近人类思考的方式编写程序。 程序执行的工作过程是这样的：首先，程序和数据加载到主存储器，然后从程序的起始地址开始执行。CPU根据程序计数器（PC）获取指令，解码执行并计算下一条指令的地址，如此循环，直到程序执行完毕。这一过程可以通过多级层次结构（微指令-机器指令-操作系统-汇编-高级语言-应用）进行抽象和控制。 衡量计算机性能的主要指标有吞吐量、响应时间和时钟周期等。吞吐量指系统在单位时间内处理请求的能力，响应时间是从发出请求到得到结果的时间间隔。时钟周期是CPU的最基本时间单位，主频则是时钟周期的倒数。此外，CPI（每条指令周期数）、CPU执行时间和MIPS（每秒百万指令数）、FLOPS（每秒百万浮点运算次数）也是评估性能的重要参数。 数据的表示和运算涉及到各种编码方式，例如进位制转换（二进制、八进制、十六进制），真值和机器数的概念，以及不同的编码系统，如BCD码（8421码、余3码和2421码）。字符编码如ASCII码，用于表示英文字母和数字，而汉字编码则包括区位码、国标码和内码。计算机中还存在两种字节存储模式——大端模式和小端模式，影响数据在内存中的排列方式。此外，校验码如奇偶校验用于检测传输错误，确保数据的正确性。 定点数是计算机中表示数值的一种方式，其表示方式因位宽的不同而有所差异。例如，对于n+1位的定点数，它可以表示n位有效数字加上一个符号位。这些基本概念构成了计算机科学的基础，理解和掌握它们对于深入学习计算机系统至关重要。