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# 第1章 计算机系统概论
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> 📖 本章介绍计算机系统的基本概念和组成，是整个课程的基础。
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> 🎯 重点理解计算机层次结构和冯·诺依曼体系
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## 📋 本章目录
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- [[#1.1 计算机系统简介]]
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- [[#1.2 计算机的基本组成]]
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- [[#1.3 计算机硬件的主要技术指标]]
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- [[#本章小结]]
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## 1.1 计算机系统简介
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### 1.1.1 计算机的软硬件概念
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计算机系统由 **硬件** 和 **软件** 两大部分组成。
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```mermaid
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graph TB
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subgraph 计算机系统
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subgraph 硬件
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A[主机] --> A1[CPU]
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A --> A2[主存储器]
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A1 --> A11[运算器]
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A1 --> A12[控制器]
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B[外部设备] --> B1[输入设备]
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B --> B2[输出设备]
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end
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subgraph 软件
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C[系统软件] --> C1[操作系统]
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C --> C2[语言处理程序]
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C --> C3[数据库管理系统]
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D[应用软件] --> D1[科学计算程序]
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D --> D2[数据处理程序]
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end
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end
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```
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#### 硬件（Hardware）
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> [!info] 定义
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> 计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件组成。
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- 主机：CPU + 主存储器
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- 外部设备：输入设备 + 输出设备
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#### 软件（Software）
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> [!info] 定义
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> 人们事先编制的具有各类特殊功能的程序，存放在存储器中。
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**系统软件**：
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- 操作系统（Windows、Linux等）
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- 语言处理程序（编译程序、汇编程序）
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- 数据库管理系统
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- 服务程序（诊断、调试程序）
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**应用软件**：
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- 科学计算程序
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- 数据处理程序
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- 过程控制程序
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- 事务管理程序
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> [!tip] 关键理解
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> 计算机性能 = 硬件功能 + 软件功能。软硬件相互依存，缺一不可。
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### 1.1.2 计算机系统的层次结构
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计算机系统具有多级层次结构，从低到高依次为：
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```mermaid
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graph TB
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subgraph "五级层次结构"
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M4["虚拟机器 M4<br/>(高级语言机器)"] --> |"用编译程序翻译"| M3
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M3["虚拟机器 M3<br/>(汇编语言机器)"] --> |"用汇编程序翻译"| M2
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M2["虚拟机器 M2<br/>(操作系统机器)"] --> |"用机器语言解释"| M1
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M1["传统机器 M1<br/>(机器语言机器)"] --> |"用微程序解释"| M0
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M0["微程序机器 M0<br/>(微指令系统)"] --> |"由硬件直接执行"| HW["硬件电路"]
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end
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style M4 fill:#e1f5fe
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style M3 fill:#b3e5fc
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style M2 fill:#81d4fa
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style M1 fill:#4fc3f7
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style M0 fill:#29b6f6
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style HW fill:#0288d1
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```
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#### 各层次说明
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| 层次 | 名称 | 说明 | 语言 |
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|------|------|------|------|
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| M4 | 高级语言机器 | 用户编程层面 | 高级语言（C、Java等） |
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| M3 | 汇编语言机器 | 汇编语言层面 | 汇编语言 |
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| M2 | 操作系统机器 | 操作系统层面 | 机器语言 |
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| M1 | 传统机器 | 硬件指令层面 | 机器语言 |
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| M0 | 微程序机器 | 微指令层面 | 微指令 |
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> [!note] 重要概念
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> - **虚拟机**：不是实际存在的机器，而是通过软件实现的功能层次
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> - **实际机器**：物理存在的硬件机器（M0和M1）
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> - **软硬件交界**：随着技术发展，部分软件功能由硬件实现（固件）
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#### 翻译程序的两种方式
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```mermaid
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graph LR
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subgraph "编译程序"
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A1[源程序] --> B1[一次性全部翻译] --> C1[目标程序] --> D1[执行]
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end
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subgraph "解释程序"
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A2[源程序] --> B2[翻译一条] --> C2[执行一条] --> D2[下一条]
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D2 --> B2
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end
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```
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- **编译程序**：一次性全部翻译，然后执行（如C、Pascal）
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- **解释程序**：边翻译边执行（如BASIC）
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### 1.1.3 计算机组成和计算机体系结构
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这两个概念容易混淆，需要明确区分：
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| 概念 | 定义 | 关注点 | 示例 |
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|------|------|--------|------|
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| 计算机体系结构 | 程序员所见到的计算机属性 | 指令集、数据类型、寻址技术 | 是否有乘法指令 |
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| 计算机组成 | 体系结构的实现方式 | 硬件细节、电路实现 | 乘法指令用专用电路还是加法器实现 |
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> [!example] 举例说明
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> IBM System/370系列：
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> - **体系结构相同**：所有机型指令集相同
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> - **组成不同**：不同型号性能、价格差异很大
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> - **好处**：用户软件投资得到保护
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## 1.2 计算机的基本组成
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### 1.2.1 冯·诺依曼计算机的特点
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> [!important] 冯·诺依曼体系（1945年）
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> 基于"存储程序"概念的计算机体系结构
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**五大特点**：
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1. 计算机由 **运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备** 五大部件组成
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2. 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访
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3. 指令和数据均用 **二进制数** 表示
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4. 指令由 **操作码** 和 **地址码** 组成
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5. 指令在存储器内按顺序存放，通常顺序执行
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```mermaid
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graph TB
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subgraph "冯·诺依曼计算机结构"
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direction TB
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CU[控制器] --> |"控制信号"| ALU[运算器]
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CU --> |"控制信号"| MEM[存储器]
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CU --> |"控制信号"| IN[输入设备]
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CU --> |"控制信号"| OUT[输出设备]
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IN --> |"数据"| MEM
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MEM --> |"数据"| ALU
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ALU --> |"数据"| MEM
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MEM --> |"数据"| OUT
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end
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style CU fill:#ff9999
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style ALU fill:#99ccff
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style MEM fill:#99ff99
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style IN fill:#ffcc99
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style OUT fill:#cc99ff
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```
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### 1.2.2 计算机的硬件框图
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#### 传统结构（以运算器为中心）
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```mermaid
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graph LR
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IN[输入设备] --> |"数据"| ALU[运算器]
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ALU --> |"数据"| MEM[存储器]
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MEM --> |"数据"| ALU
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ALU --> |"数据"| OUT[输出设备]
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CU[控制器] --> |"控制"| ALU
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CU --> |"控制"| MEM
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CU --> |"控制"| IN
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CU --> |"控制"| OUT
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```
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#### 现代结构（以存储器为中心）
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```mermaid
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graph TB
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IN[输入设备] --> |"数据"| MEM[存储器]
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MEM --> |"数据"| OUT[输出设备]
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MEM --> |"数据"| ALU[运算器]
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ALU --> |"数据"| MEM
|
||
CU[控制器] --> |"控制信号"| ALU
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CU --> |"控制信号"| MEM
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||
CU --> |"控制信号"| IN
|
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CU --> |"控制信号"| OUT
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```
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> [!tip] 结构变化的原因
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> 以存储器为中心可以减少数据传输的瓶颈，提高系统效率。
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### 1.2.3 各部件功能详解
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| 部件 | 功能 | 关键特性 |
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|------|------|----------|
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| **运算器** | 完成算术运算和逻辑运算 | 暂存中间结果 |
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| **存储器** | 存放数据和程序 | 按地址访问 |
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| **控制器** | 控制指挥程序运行 | 产生控制信号 |
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| **输入设备** | 信息形式转换（人→机） | 键盘、鼠标等 |
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| **输出设备** | 信息形式转换（机→人） | 显示器、打印机等 |
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### 1.2.4 现代计算机组成
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```mermaid
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graph TB
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subgraph "现代计算机组成"
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subgraph "主机"
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CPU["CPU"] --> ALU["运算器"]
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CPU --> CU["控制器"]
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MM["主存储器<br/>(主存)"]
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end
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subgraph "外部设备"
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IO["I/O设备"] --> INPUT["输入设备"]
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IO --> OUTPUT["输出设备"]
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end
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||
end
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CPU <--> |"数据/地址"| MM
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CPU <--> |"数据"| IO
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MM <--> |"数据"| IO
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style CPU fill:#ff9999
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style MM fill:#99ff99
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style IO fill:#99ccff
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```
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**术语说明**：
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- **CPU** = 运算器 + 控制器
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- **主机** = CPU + 主存储器
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- **I/O设备** = 输入设备 + 输出设备（外部设备）
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## 1.3 计算机硬件的主要技术指标
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### 1.3.1 机器字长
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> [!info] 定义
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> CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU寄存器位数有关。
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- 影响：字长越长，计算精度越高
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- 常见：8位、16位、32位、64位
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### 1.3.2 存储容量
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> [!info] 定义
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> 存储器能存放二进制代码的总位数
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**计算公式**：
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$$存储容量 = 存储单元数 \times 存储字长$$
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**单位换算**：
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- 1KB = 1024B
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- 1MB = 1024KB
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- 1GB = 1024MB
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- 1TB = 1024GB
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### 1.3.3 运算速度
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**常用指标**：
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| 指标 | 说明 | 计算方式 |
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|------|------|----------|
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| MIPS | 每秒百万条指令 | 指令数 / 执行时间 |
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| CPI | 每条指令时钟周期数 | 时钟周期数 / 指令数 |
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| FLOPS | 每秒浮点运算次数 | 浮点运算数 / 执行时间 |
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### 1.3.4 其他指标
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- **主频**：CPU时钟频率（GHz）
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- **带宽**：数据传输速率（MB/s）
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- **兼容性**：软件在不同机器上的通用性
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## 📝 本章小结
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### 核心概念
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1. **计算机系统** = 硬件 + 软件
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2. **层次结构**：从微程序机器到高级语言机器的多级层次
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3. **冯·诺依曼体系**：存储程序、五大部件、二进制表示
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4. **现代计算机**：以存储器为中心，CPU = 运算器 + 控制器
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### 关键术语
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| 术语 | 英文 | 含义 |
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|------|------|------|
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| CPU | Central Processing Unit | 中央处理器 |
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| ALU | Arithmetic Logic Unit | 算术逻辑单元 |
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| CU | Control Unit | 控制单元 |
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| MM | Main Memory | 主存储器 |
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| I/O | Input/Output | 输入输出 |
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### 重点图示
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> [!summary] 必须掌握的图
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> 1. 计算机系统层次结构图
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> 2. 冯·诺依曼计算机结构框图
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> 3. 现代计算机组成框图（以存储器为中心）
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## 🧪 自测练习
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### 概念题
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1. 简述计算机硬件和软件的关系。
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2. 画出计算机系统的五级层次结构，并说明各层功能。
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3. 冯·诺依曼计算机有哪些特点？
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### 思考题
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1. 为什么要区分计算机体系结构和计算机组成？
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2. 现代计算机为什么采用以存储器为中心的结构？
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## 🔗 相关链接
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- [[00_计算机组成原理学习指南]] - 返回主目录
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- [[03_系统总线]] - 下一章
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- [[06_运算方法]] - 数据表示相关内容
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||
- [[08_CPU结构与功能]] - CPU详细设计
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*本章难度：⭐⭐ 简单*
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*重要程度：⭐⭐⭐ 基础* |