01.第一章计算机系统概述

1.1 计算机发展历程

[计组] 1.0_你好，我是计算机组成原理

我们生活在一个信息化程度极高的世界中，我们每天的生活都离不开电脑和手机，这些设备实际上都属于计算机的范畴。

计算机的底层结构由硬件构成，在硬件之上，我们会安装操作系统，再在操作系统上运行各种应用软件，这样就能得到一个易于使用的计算机系统。通过计算机网络，这些设备实现了信息的互联互通，这正是我们现在生活的信息化世界的缩影。

计算机组成原理这门课研究的就是这些计算机硬件在底层如何协同工作。既然我们要研究硬件，不妨先来看一下大家日常生活中常见的一些硬件。

购买手机时，我们通常会关注CPU的型号和性能，这直接影响到游戏图像处理的速度；我们还会关心运行内存的大小，内存越大，意味着同时运行多个应用程序会更加流畅；机身存储空间决定了我们能在手机中存储多少电影。

同样，在购买电脑时，我们也会关注这些硬件信息。

例如，CPU的型号（如i7-9750H）、处理能力、内存大小（如8G）、硬盘存储容量（如512G固态硬盘）和读写速度、显卡（如GTX1660Ti 6G）的性能等。这些都是我们日常生活中常见的计算机硬件部件。

接下来，我们来看一下这些硬件的真实样子。

CPU其实就是这样一个小巧的组件（如图所示的CPU正面），CPU背面有一排排小的金属针脚，我们可以将CPU插入电脑主板上，主板上有一个专门用于插CPU的插槽，这个插槽上有一排排的小孔，用来插这些针脚。

内存条如图所示，电脑主板上有如图中红色圈出的卡槽，用来插入内存条。内存条上有一排排小的黄色金属针脚，通过这些金属针脚，我们可以传递数据信息。至于具体如何传递，我们稍后再解释。

扩展：硬盘是一种外存，但外存不仅仅限于硬盘，还包括其他存储设备，如U盘、移动硬盘、SD卡等。

扩展：硬盘是磁盘的一种类型，但它们之间存在区别。

硬盘也有一排排的小小的金属针脚，这些针脚也是用来传递数据信息的，如图中硬盘背景中的红色部分。接下来我们要探讨的问题是这些计算机硬件如何识别数据。

计算机的功能就是存储和处理数据。比如我们随手拍的一张照片，这个照片的数据需要用计算机、手机或电脑来存储。当我们用美图秀秀对照片进行十级美颜时，这个过程就是计算机在对照片数据进行运算和处理。

实际上，所有的数据，无论是视频、音乐、照片还是输入的文字，在计算机硬件看来都是由0和1组成的二进制数。

那么计算机硬件是如何区分0和1这样的二进制数的呢？原理其实非常简单。

可以用两种电信号分别是低电平和高电平来表示0和1这两个二进制数。

扩展：计算机硬件唯一能识别的数据是二进制。电压较低的情况称为低电平信号，低电平表示二进制的0。电压较高的情况称为高电平信号，高电平表示二进制的1。本质上，计算机内部传递数据就是通过这种电信号来实现的，这就是计算机硬件识别二进制的原理。

CPU和内存卡的金属针脚就是用来接收电信号的，针脚越多，就意味着可以同时传递更多的高低电平信号，也就是同时传递更多的二进制数。这些金属针脚就是硬件用来发送或接收二进制数据的通道。

CPU和内存卡这些硬件部件之间是如何交换这些二进制数据的呢？

这就是所谓的印刷电路板。

电脑主板上的一条条线其实是用来导电的，可以简单地理解为嵌在电路板上的一根根电线。通过这些线来传输二进制的0和1。

传递二进制信息的本质就是释放高电平或低电平的电信号，电路板上有许多电路，可以同时发送或接收电信号，也就是可以同时传递多个二进制位，每一个二进制位我们称为一个比特的信息。

抛出几个问题：1.数字、文字、图像如何用二进制表示？2.CPU如何对二进制进行加减乘法的运算？3.二进制数据如何存储到外存或内存中？4.如何从内存中取出想要的数据？5.平时写的程序是如何被CPU识别和执行的？