计算机系统

  1. 计算机**本质上在做什么**？
  2. 软件与硬件**如何通过稳定契约协作**？
  3. 性能、结构与复杂度**为何必然如此演进**？

一、第一性原理：计算机系统的本质

1.1 计算机是什么？

计算机是一台可被程序控制的状态机。

从第一性原理看，所有复杂系统行为，最终都可还原为：状态读取 → 状态计算 → 状态写回。

1.2 程序的本质

程序不是“软件文件”，而是：

对系统状态转移规则的编码描述

因此：

这一定义在 70 年内从未改变。

二、冯诺依曼模型：稳定不变的系统原型

2.1 冯诺依曼模型解决了什么问题？

核心思想：存储程序（Stored Program）

这是软件能够存在的根本原因。

2.2 冯诺依曼模型的抽象结构

从抽象而非器件角度，可归纳为五个功能单元：

功能本质角色
运算器状态变换
控制器状态转移调度
存储器状态载体
输入状态注入
输出状态外显

所有现代计算机，无一例外仍然服从该模型。

三、哈佛结构与冯诺依曼结构：冲突与权衡

3.1 冯诺依曼瓶颈的本质

指令流与数据流争用同一存储与总线资源

这是一个物理资源冲突问题，而非思想缺陷。

3.2 哈佛结构的解法

但代价是：

3.3 现代系统的真实形态

现代 CPU 是“逻辑冯诺依曼 + 物理哈佛”的折中体

这是工程理性而非理论变更。

四、抽象边界：计算机系统的三层稳定契约

4.1 软件与硬件的契约：ISA

指令集架构（ISA）是最重要的稳定边界。

ISA 定义了“能做什么”，而非“如何做”。

4.2 体系结构 vs 组成原理

层次回答的问题
体系结构系统对外暴露什么能力？
组成原理这些能力如何被实现？

这是 What / How 的根本分离。

4.3 系统软件的真实角色

系统软件不是“工具集合”，而是：

对硬件能力的抽象、隔离与调度系统

五、性能的第一性原理模型

5.1 唯一重要的性能公式

CPU 时间 = 指令数 × CPI × 时钟周期

这是所有性能分析的起点。

5.2 性能因素的责任归属

因素决定层
指令数算法 + 编译器
CPI微架构
时钟周期工艺 + 架构

没有跨层"银弹"。

5.3 为什么主频不等于性能？

这正是复杂架构存在的原因。

六、从静态模型到系统演进

6.1 多核的本质

并行不是免费午餐。

6.2 存储层级的必然性

存储墙是物理现实，而非设计失败。

6.3 操作系统的系统意义

操作系统不是"软件"，而是系统秩序的实现者。

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