1、计算机架构与组织：从基础到前沿

计算机架构与组织：从基础到前沿

一、计算机系统概述

计算机由硬件、软件、网络、数据以及这些元素之间的交互组成，用于执行指令以解决可计算的问题。图灵机为计算机科学在硬件、算法和计算建模方面奠定了理论基础。

（一）硬件与软件

现代硬件概念包括物理硬件和虚拟硬件，虚拟硬件是模拟特定计算机硬件功能的软件。软件可分为数据和程序，程序是用于操作数据并产生结果的指令集合。

（二）计算机架构与组织

计算机架构研究计算机系统的设计，涵盖中央处理器（CPU）、指令、计算机内存和存储、输入输出设备（I/O）以及网络组件。计算机组织则研究数字逻辑层之上、操作系统层之下的抽象层次，涉及实现计算机架构规范的操作单元及其互连。

（三）计算机系统的脆弱性

所有计算机系统都存在可能被攻击的漏洞，许多防攻击机制基于被动技术，只能在攻击发生后起作用。下面是一般计算系统和安全计算机系统的概念模型：
- 一般计算系统 ：除了冯·诺伊曼模型，还增加了网络组件用于数据流入和流出计算机系统。
- 安全计算机系统 ：有一个“沙箱”将计算机系统与外界隔离开来，可控制信息和数据访问，防止黑客窃取数据。

二、计算机系统的历史

（一）计算机系统的起源与发展

计算机最初用于计算，如二战期间的电子数字积分计算机（ENIAC）用于计算炸弹轨迹和开发氢弹。1945 年，普林斯顿大学的约翰·冯·诺伊曼开发了存储程序电子计算机，其架构成为现代计算机的基础。早期计算机由真空管制成，后来经历了固态晶体