目录
1.计算机的硬件和软件
2.硬件的发展
3.软件的发展
4.计算机硬件的基本组成
（1）早期冯诺依曼机的结构
（2）现代计算机的结构
5.各硬件的工作原理
（1）主存储器
（2）运算器
（3）控制器
（4）计算机工作过程：
取指令：
分析指令：
执行取数指令：
6.计算机系统的多级层次结构
（1）低级语言
机器语言：
汇编语言：
（2）高级语言
（3）计算机系统的层次结构
（4）三种级别的语言
1.计算机的硬件和软件
计算机组成原理由硬件和软件组成：
硬件：计算机的实体，如主机，外设等。
软件：由具体各类特殊功能的程序组成。
计算机性能的好坏取决于"软","硬"件功能的总结
软件又可分为系统软件，应用软件：
系统软件：用来管理整个计算机系统。例如，操作系统、数据库管理系统(DBMS)、标准程序库、网络软件、语言处理程序、服务程序。
应用软件：按任务需要编制成的各种程序。例如各类APP等。
2.硬件的发展
第一代（电子管时代）：
这一代计算机采用电子管作为逻辑元件，体积大，耗电量超大，程序员在纸带机上用机器语言编程，若纸带机上出现"死了的小虫子"，可能会导致读程序错误，这就是bug（小虫子）的起源。
第二代（晶体管时代）：
使用晶体管作为逻辑元件的电脑，体积比使用电子管作为逻辑元件的电脑体积更小，功耗较低，晶体管是手动焊接在电路板上的，所以很容易导致焊接错误。这一代中，出现了面向过程的程序设计语言:FORTRAN
第三代（中小规模集成电路时代）：
集成电路就是将元件集成在基片上，集成电路的可靠性，比晶体管手动焊接的方式更可靠。这一代计算机主要用于科学计算等专业用途，高级语言迅速发展，开始有了分时操作系统。
第四代（大规模、超大规模集成电路时代）:
开始出现"微处理器"、微型计算机，并且个人计算机(PC)萌芽
操作系统:Windows、MacOs、Linux...
3.软件的发展
（1）应用软件
编程语言的发展，决定了应用软件的丰富度。在计算机发展初期，程序都需要用机器语言编写，由于机器语言可读性差，所以发明了汇编语言。汇编语言将机器语言翻译为了更易懂的符号。而后出现了高级语言（C++,Java等）。
（2）系统软件
初期的操作系统，如DOS操作系统，只能用命令行操作，后期则出现了包含图形化界面的操作系统，如Windows，Android等
目前计算机存在"两极"分化的发展趋势：
一极是微型计算机，向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。
另一极是巨型机，向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。
4.计算机硬件的基本组成
（1）早期冯诺依曼机的结构
早期的ENIAC计算机是通过手动接线来控制计算的，即说一步做一步，为了解决这个问题，冯诺依曼提出了”存储程序“
“存储程序”的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。
冯诺依曼机的结构如下：
输入设备将信息转换成机器能识别的形式
数据程序通过输入设备的处理后，流向运算器，通过运算器中转，传递给存储器，存储器用于存放数据和程序。
运算器将数据进行算术运算和逻辑运算的处理后，会将数据传递给输出设备，输出设备会将结果转换成人们能看懂的形式。
控制器用于协调部件间协调工作，同时控制器也用于解析存储器中存储的数据，控制器解析数据后，才会指挥运算器进行相应操作。
在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的，也就是说，对于某一种功能，既可以通过软件实现，也可以通过硬件实现，用软件实现成本更低，但效率不高，硬件实现成本更高，但效率也会提升很多。例如，对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算，也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现。
冯诺伊曼计算机的特点：
1.计算机由五大部件组成：输入/输出设备（I/O设备），控制器，运算器，存储器
2.指令和数据以同等地位存于存储器，只是存储位置不一样而已。可按地址寻访，无论要读出指令或数据，都需要给出其在主存中的位置。
往后看计算机工作过程会更加理解的，这里不太理解没关系。
3.指令和数据用二进制表示
4.指令由操作码和地址码组成，地址码可以有多个，例如二地址指令就有2个地址码
5.存储程序，将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。
6.以运算器为中心，输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。
运算器本来的工作为数据的运算，现在还要兼任数据的中转，这会导致数据计算的效率降低。所以改进了计算机的结构。
（2）现代计算机的结构
现代计算机以存储器为中心，也就是输入设备输入的数据都是直接存储在存储器中的，当运算器处理完数据后，输出设备也直接从存储器取走数据。
由于运算器和控制器两者的逻辑关系十分紧密，所以这两个芯片通常被集成在同一芯片中，这一芯片就是CPU：CPU=运算器+控制器
如下图所示，控制器通过控制线告诉运算器执行何种运算，同时控制器会控制主存储器的读/写，也会控制外设的启动和停止。
主存储器与CPU会进行数据交换，例如需要参与运算的数据，如x，y等变量，还有一些是指令，指令会放到控制器中，由控制器解析指令的含义，并且发出相应的控制信号。
输入/输出设备会与主存储器进行数据交换。
所以现代计算机的结构如下：
5.各硬件的工作原理
（1）主存储器
主存储器包含存储体,MAR(Memory Address Register，存储地址寄存器),MDR(Memory Data Register，存储数据寄存器),地址寄存器用于保存地址相关的二进制数据，数据寄存器用于保存数据。
CPU往主存储器读数据流程如下：
CPU想从主存中取某个数据，那么CPU会将该数据的地址保存在地址寄存器中，主存储器会根据MAR的地址信息，从存储体中取相应数据，并写到数据寄存器中，最后CPU就可以通过数据线，取走他想要的数据了。
CPU往主存储器写数据流程如下:
CPU会指明写入到主存的什么位置，该地址会通过地址线保存在MAR中，要写入的数据则通过数据线保存在MDR中，并且CPU会通过控制总线，告诉主存储器这次执行的操作是写操作。通过CPU发出的这3个信息，主存储器就能在相应的位置写入信息了。
存储体：
数据在存储体内按地址存储，每个地址对应一个存储单元。一个存储体会被分为一个个的存储单元，每个存储单元存放一串二进制代码，这个二进制代码就是存储字（word），而二进制代码的位数就是存储字长。通常每个单元存放的二进制数的位数为8bit的整数倍。存储元就是存储二进制的电子元件，每个存储元可存 1bit。
存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字(word)：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制代码的位数
存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit
MAR指明了MAR的地址，所以MAR位数反映存储单元的个数，而MDR是要保存存储单元数据的，所以MDR位数=存储字长。
例如MAR=4位，那么总共有24个存储单元。MDR=16位，那么每个存储单元可存放16bit，也就是1个字(word)
注：其实现在的计算机通常把MAR、MDR也集成在CPU内
（2）运算器
用于实现算术运算(如:加减乘除)、逻辑运算(如:与或非)
运算器的结构如下：
ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果。
MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数。
ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算。由于电路成本复杂，所以成本也是最高的。
ACC，ALU，MQ三个部件在进行不同运算时，存放的数据各不相同：
（3）控制器
控制器的结构如下：
CU（control Unit）：控制单元，分析指令，给出控制信号
IR（Instruction Register）:指令寄存器，存放当前执行的指令
PC（Program Counter）:程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能
计算机执行一条指令需要完成以下阶段：
1.取指令：根据PC记录的下一条指令的地址，取出指令。
2.分析指令：取出的指令会被放到IR中，CU就会分析这条指令的功能。
3.执行指令：分析过后，CU这一部件就会配合其他部件执行指令。
（4）计算机工作过程：
计算机会将高级语言翻译为机器能读懂的机器语言，并且将其装入主存储器中，如下图所示，存储体中每个存储单元的存储字长为16bit
取指令：
程序运行前，（PC）=0，指向第一条指令的存储地址
① PC的值通过地址总线传送到主存储器的MAR中。此时（PC）=0，所以（MAR）=0，即
(PC)--->MAR
经过这个操作，控制器向主存指明了此时需要访问0号主存地址对应的数据，同时通过控制总线告诉主存，此时要进行的是读操作。
② 主存储器会根据MAR记录的信息去存储体中找到0号主存地址对应的存储单元，并且将存储单元的数据存放到MDR中，此时MDR中存放的就是CPU想读取的第一条指令,即
M(MAR)--->MDR 主存储器中MAR存放的地址对应的存储单元的数据放到MDR中
(MDR)=000001 0000000101
③ 这个数据起始就是一条指令，解释为"取数a至ACC"，这条指令会通过数据总线放到IR中，导致(IR)=000001 0000000101，即
(MDR)-->IR
分析指令：
④ 该指令的操作码（前6bit）会被送到CU中，CU分析后得知这是"取数"指令，即
OP(IR)--->CU,OP(IR)表示取操作码
执行取数指令：
⑤ 接下来就需要将指令中的地址码指明的主存中数据取出来，并且放到ACC寄存器中，既然要读取地址码指向的数据，那么就需要先将地址码放到主存的MAR中，如下图所示，该存储单元存放的地址码=0000000101，就是要取5主存地址中的数据到ACC中，即
Ad（IR）--->MAR,Ad(IR)表示取地址码 （MAR）=5
⑥ 接下来主存会根据MAR的地址到存储体中找相应的数据，并把这一数据放到MDR中，即
M(MAR)---->MDR 导致（MDR）=0000000000000010=2
⑦ 最后在控制单元的指挥下，MDR中的数据会被送到ACC（累加寄存器）中，即
(MDR)--->ACC 导致(ACC)=0000000000000010=2
注：之前提到PC有自动+1的功能，在取指令这个动作完成后，PC就会自动+1了，即指明了下一条会执行的指令（主存地址为1的位置）
所以上一条指令完成取指后，(PC)=1，执行完该条指令后，(ACC)=2
如图所示，第二条指令是乘法指令：
对应上面的第⑦步，现在MDR中数（3），就会被放到MQ（乘商寄存器）中，即
MDR--->MQ 导致(MQ)=0000000000000011=3
接下来把a的值放到通用寄存器X中，即CPU执行乘商操作时，会把被乘数放到通用寄存器X中，即ACC寄存器中的数据放到X中，而乘数放到MQ中，就是下面的第10步
(ACC)--->X 导致(X)=2
接下来CU会通过控制总线告诉ALU(算术逻辑单元)，让其进行乘法运算，那么ALU会将X与MQ中的数据进行相乘操作，并将最终的结果放到ACC中，如下面的11所示，即
(MQ)*(X)--->ACC 由ALU实现乘法运算，导致(ACC)=2*3=6，如果乘积太大，则需要MQ辅助存储，MQ会用来存储乘商运算结果的低位
此时ACC就存放了a*b的值了。
借这个例子就很好理解下图了：
分析完两条指令后，我们可以看到，取指令与分析指令的流程都是一样的，只有当CU分析出指令的不同功能时，操作才会产生区别，所以接下来就从CU分析指令后讲解：
第三条指令的执行：
上一条指令取指后（PC）=2，执行完上一条指令后，（ACC）=6，即ACC中存放了上一条指令执行的结果。
同理，CU分析后，得知这是一个"加法"指令。CPU将指令的地址码送到MAR(0000000111)，导致(MAR)=7,即:Ad(IR)--->MAR
接着主存储器会根据MAR，到存储体中寻找对应数据，即主存地址为7的位置存放的数据，放到MDR中
M(MAR)--->MDR 导致(MDR)=0000000000000001=1
由于是"加法"指令，MDR会将数据传送到通用寄存器X中
(MDR)--->X 导致(X)=0000000000000001=1
到这一步，ACC中存放的是被加数，而X中存放的是加数，控制单元CU会向ALU发出信号，指明这是一个加法操作，那么ALU就会将ACC与X中的值相加，并且将加和的结果放到ACC中，即下面的第10步：
(ACC)+(X)--->ACC 导致(ACC）=7
此时ACC就存放了a*b+c的值了。
第四条指令的执行：
上一条指令取指后(PC)=3,执行后，（ACC）=7
由CU分析后，这是一条"存数"指令，接着IR会将该数据的地址码（0000001000）送到MAR中，导致（MAR）=0000001000=8，即：Ad(IR)--->MAR
另外ACC会通过数据总线将数据送到MDR中，即(ACC)--->MDR,导致（MDR）=7，此时MDR中存放的就是a*b+c的值了。
(MAR)=8,(MDR)=7，CU通过控制总线告诉主存储器此次是一次写主存的操作，那么主存储器会根据MAR所指明的地址，把MDR中的数据放到相应的位置中，也就是将a*b+c的值7存放到主存地址为8的位置。
第五条指令的执行：
上一条指令取指后（PC）=4
CU分析后，得知这是一条"停机"指令，那么利用中断机制通知操作系统终止该进程。
总结：
根据指令周期的不同阶段（取指令，分析指令，执行指令），CPU就能区分其从主存中取出的是指令还是数据，例如"取指令阶段"就是取的指令，"执行指令阶段"就是取的数据。
6.计算机系统的多级层次结构
（1）低级语言
机器语言：
传统意义的计算机只能识别机器语言，也就是二进制表示的指令,CPU在执行二进制表示的指令时，还需要将这些机器指令细分为更细的指令执行，即微指令或微操作。也就是用微指令解释并执行每一条机器指令。
例如下图，主存地址为0的指令，就需要分为9个微操作。
汇编语言：
由于二进制指令用于编程是很不方便的，所以出现了汇编语言，使用汇编语言的程序员看到的机器就是"虚拟机器"，为什么是"虚拟机器"？
因为在使用汇编语言的程序员看来，好像机器能直接识别汇编语言，但是机器其实无法直接识别汇编语言，而是需要通过汇编程序翻译成等价的机器语言程序，才可以执行。
一条汇编语言对应一条机器指令：
用汇编语言编写的程序，只是更便于理解而已，但本质上依然属于低级语言。
（2）高级语言
在程序员看来，可以识别高级语言的机器，也称为"虚拟机器"，因为机器不能直接识别高级语言，高级语言需要用编译程序翻译成汇编语言程序，用汇编程序翻译成机器语言程序，机器才能识别。
（3）计算机系统的层次结构
高级语言编写的程序可能会用到操作系统提供的服务，例如通过系统调用请求操作系统的服务，汇编语言编写的程序同理，那么完善的层次如下图所示：
操作系统与操作系统之上的部分就为软件部分，用机器语言的机器及以下的部分就为硬件部分
下层是上层的基础，上层是下层的扩展。
（4）三种级别的语言
如上图所示，高级语言需要用编译程序翻译成汇编语言程序，用汇编程序翻译成机器语言程序，机器才能识别。事实上也有一些语言，经过编译程序的编译后，就能直接得到机器可识别的机器语言程序。
还有一些高级语言的执行，并不是通过编译程序编译，而是通过解释程序，将高级语言翻译为对应的机器语言指令，例如：JavaScript、Python、Shell
编译程序与解释程序的区别：
编译程序：将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序(只需翻译一次)，例如执行完C语言后生成的.exe文件，这个文件就是用机器语言描述的程序，只要生成这一文件，之后就不需要再进行编译了。
若要运行这一程序，只需要加载这一文件即可。
解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并立即执行。紧接着再翻译下一句(每次执行都要翻译)
所以编译程序执行效率更高，解释程序执行效率较低。
注：编译、汇编、解释程序，可统称“翻译程序”，他们的作用都是将更高级的语言翻译为更低级的语言。
补充：计算机体系结构与计算机组成原理的区别
计算机体系结构探讨的是如何设计硬件与软件之间的接口。而计算机组成原理探讨的是如何用硬件实现所定义的接口。这对程序员来说是“透明”的，即程序员是看不见的。
