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计算机系统概述｜计算机发展简史与硬件五大部分
前言
计算机组成原理是计算机类专业的核心基础课程，它解释一台计算机到底是如何工作的，从硬件底层理解程序执行的完整过程。本篇是系列第一篇，主要学习计算机的发展历史、硬件五大组成部件，理解计算机最基础的硬件框架。
一、计算机发展简史
计算机的发展并不是一蹴而就，按照核心元器件的迭代，一共划分五代。第一代是电子管计算机，体积庞大、功耗极高、运算速度慢；第二代晶体管计算机，晶体管取代电子管，体积缩小，可靠性提升；第三代中小规模集成电路计算机，把大量晶体管集成在芯片上；第四代大规模、超大规模集成电路计算机，也就是我们现在使用的PC、服务器的基础；第五代是新一代人工智能计算机，面向智能计算、大规模并行处理。
随着硬件迭代，微处理器技术飞速发展，从早期的简单处理器到如今多核CPU，推动个人计算机普及。与此同时国内处理器技术也在不断发展，国产芯片从追赶走向自主创新，在嵌入式、服务器等多个领域实现突破。
核心人物：冯·诺依曼（John von Neumann，1903‑1957）
生平简介
冯·诺依曼，美籍匈牙利数学家，被后世尊称为现代计算机之父。他出生于匈牙利布达佩斯一个富裕的犹太家庭，从小就展现出惊人的数学天赋，记忆力极强，可以完整背诵整本著作。青年时期先后在布达佩斯大学、苏黎世联邦理工学院学习数学与化学工程。
二战期间，冯·诺依曼参与曼哈顿计划，参与原子弹研发工作。在参与研制ENIAC计算机的时候，他发现这台机器存在很大缺陷：程序需要手动接线来设定，修改程序就要重新布线，非常麻烦。1945年，冯·诺依曼发表著名的EDVAC报告，提出了划时代的存储程序思想。
这个思想的核心：把指令和数据都以二进制形式存放在同一个存储器当中，计算机可以自动读取指令，一步步完成运算，不需要人工反复接线。
他的理论奠定现代计算机的体系基础。除计算机领域之外，冯·诺依曼还在博弈论、量子力学、经济学做出巨大贡献。1957年，冯·诺依曼因癌症离世，年仅54岁，短短一生完成大量开创性研究。
核心贡献：
- 提出存储程序原理，现代计算机最核心思想
- 确定计算机五大硬件组成部件
- 提出二进制在计算机内部运算的使用方案
二、计算机硬件五大组成要素
计算机硬件系统由五大部件构成：**运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备。这五个部件相互配合，协同完成计算任务。
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1. 运算器
运算器是执行计算的部件，完成两类操作：算术运算和逻辑运算。算术运算包含加减乘除；逻辑运算包含与、或、非、异或等。运算器的核心是ALU算术逻辑单元，所有计算都在这里完成。运算器内部还有通用寄存器，用来临时存放参与运算的数据。
2. 存储器
存储器负责存放程序指令和运算数据，分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。主存速度快，断电数据丢失；辅存容量大，断电数据可以保存，比如硬盘、U盘。程序运行时，需要把数据和指令从外存调入主存，CPU才可以访问。
3. 控制器
控制器是整机的指挥中枢。它的工作流程：从存储器读取指令，对指令进行译码解析，然后向各个硬件部件发出对应的控制信号，协调运算器、存储器、输入输出设备有序工作。
重要概念：运算器 + 控制器 = CPU中央处理器。CPU是计算机的核心。
4. 输入设备
输入设备负责把外界的信息送入计算机内部。常见设备：键盘、鼠标、扫描仪。人通过输入设备，把指令、数据交给计算机。
5. 输出设备
输出设备把计算机处理完的结果，转化为人可以识别的形式输出。比如显示器、打印机、音响。五大部件之间依靠总线连接，总线负责传输数据、地址、控制信号，是硬件之间通信的通道。
三、计算机软件系统
软件分为两大类：系统软件、应用软件。
系统软件用来管理计算机硬件资源，为上层软件提供运行环境，典型：操作系统、编译程序、数据库管理系统。
应用软件面向用户具体业务，例如Word、浏览器、游戏。
硬件是看得见摸得着的实体，软件是存储在存储器里的程序与数据。硬件提供基础能力，软件实现丰富的功能。
四、本章小结**
本章最重要的两个点：冯·诺依曼存储程序思想，硬件五大组成部件。我们要理解：存储程序是现代计算机的灵魂，五大部件是硬件的基本框架。后续章节会分别深入学习运算器、存储器、控制器。
