计算科学导论：第6章 计算机组成原理与操作系统概述

"《计算科学导论》第6章主要涵盖了计算机组成原理和操作系统的基础知识，由易建勋和刘珺编著，遵循CC4.0 BY-SA协议发布。本章内容包括计算机层次模型、冯·诺依曼结构以及计算机集群结构，旨在帮助学生理解和掌握计算机系统的基本构成和工作原理。" 在计算机体系结构中，程序员所看到的计算机属性，如数据表示、存储、传输、运算和指令集，是定义计算机体系结构的关键要素。阿姆达尔的观点强调了计算机体系结构应具备最佳的兼容性、性能和成本效益。当前主流的三大体系包括x86体系、ARM体系和RISC-V体系，它们各自对应不同的硬件电路实现。而计算机的结构则可以分为冯结构、哈弗结构和集群结构，其中冯·诺依曼结构是最为广泛接受的设计。 冯·诺依曼结构源于1945年冯·诺伊曼提出的设计原则，包括采用二进制运算和存储、存储程序以及由输入、输出、存储器、控制器和运算器组成的计算机结构。存储程序的思想使得计算机能够自动执行预编程的任务，通过存储器中的指令序列进行串行执行，显著提高了计算效率。这种设计的一个关键优点是程序和数据的统一存储，使得两者在内存中可以相互访问，减少了硬件连接的复杂性。 计算机层次模型是理解计算机系统复杂性的有效工具，它将复杂的计算机系统分解为多个层次，每个层次都有特定的复杂度和功能。层次模型的特点包括层次间的抽象化、各层的特性、抽象程度与层次高度的关系，以及层次数量与系统性能的平衡。这样的设计有助于工程师进行模块化设计和优化，同时确保系统的可扩展性和可维护性。 此外，计算机集群结构是指多台计算机通过网络连接在一起，形成一个整体，以提高处理能力和可用性。集群可以提供高可用性、负载均衡和大规模计算能力，常见于高性能计算和数据中心应用。 通过学习这一章的内容，学生将能够了解计算机硬件的基础，包括如何通过指令集定义计算机体系，理解冯·诺依曼结构的工作原理，以及层次模型如何简化设计和理解复杂的计算机系统。这为进一步学习操作系统、编译原理和系统编程打下了坚实的基础。