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第1章计算机系统概论

📖 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。 🎯 重点理解计算机层次结构和冯·诺依曼体系

📋 本章目录

1.1 计算机系统简介

1.1.1 计算机的软硬件概念

计算机系统由硬件和软件两大部分组成。

graph TB
    subgraph 计算机系统
        subgraph 硬件
            A[主机] --> A1[CPU]
            A --> A2[主存储器]
            A1 --> A11[运算器]
            A1 --> A12[控制器]
            B[外部设备] --> B1[输入设备]
            B --> B2[输出设备]
        end
        subgraph 软件
            C[系统软件] --> C1[操作系统]
            C --> C2[语言处理程序]
            C --> C3[数据库管理系统]
            D[应用软件] --> D1[科学计算程序]
            D --> D2[数据处理程序]
        end
    end

硬件（Hardware）

[!info] 定义计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件组成。

主机：CPU + 主存储器
外部设备：输入设备 + 输出设备

软件（Software）

[!info] 定义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。

系统软件：

操作系统（Windows、Linux等）
语言处理程序（编译程序、汇编程序）
数据库管理系统
服务程序（诊断、调试程序）

应用软件：

科学计算程序
数据处理程序
过程控制程序
事务管理程序

[!tip] 关键理解计算机性能 = 硬件功能 + 软件功能。软硬件相互依存，缺一不可。

1.1.2 计算机系统的层次结构

计算机系统具有多级层次结构，从低到高依次为：

graph TB
    subgraph "五级层次结构"
        M4["虚拟机器 M4<br/>(高级语言机器)"] --> |"用编译程序翻译"| M3
        M3["虚拟机器 M3<br/>(汇编语言机器)"] --> |"用汇编程序翻译"| M2
        M2["虚拟机器 M2<br/>(操作系统机器)"] --> |"用机器语言解释"| M1
        M1["传统机器 M1<br/>(机器语言机器)"] --> |"用微程序解释"| M0
        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"]
    end

    style M4 fill:#e1f5fe
    style M3 fill:#b3e5fc
    style M2 fill:#81d4fa
    style M1 fill:#4fc3f7
    style M0 fill:#29b6f6
    style HW fill:#0288d1

各层次说明

层次	名称	说明	语言
M4	高级语言机器	用户编程层面	高级语言（C、Java等）
M3	汇编语言机器	汇编语言层面	汇编语言
M2	操作系统机器	操作系统层面	机器语言
M1	传统机器	硬件指令层面	机器语言
M0	微程序机器	微指令层面	微指令

[!note] 重要概念

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

实际机器：物理存在的硬件机器（M0和M1）

软硬件交界：随着技术发展，部分软件功能由硬件实现（固件）

翻译程序的两种方式

graph LR
    subgraph "编译程序"
        A1[源程序] --> B1[一次性全部翻译] --> C1[目标程序] --> D1[执行]
    end

    subgraph "解释程序"
        A2[源程序] --> B2[翻译一条] --> C2[执行一条] --> D2[下一条]
        D2 --> B2
    end

编译程序：一次性全部翻译，然后执行（如C、Pascal）
解释程序：边翻译边执行（如BASIC）

1.1.3 计算机组成和计算机体系结构

这两个概念容易混淆，需要明确区分：

概念	定义	关注点	示例
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
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

[!example] 举例说明 IBM System/370系列：

体系结构相同：所有机型指令集相同

组成不同：不同型号性能、价格差异很大

好处：用户软件投资得到保护

1.2 计算机的基本组成

1.2.1 冯·诺依曼计算机的特点

[!important] 冯·诺依曼体系（1945年）基于"存储程序"概念的计算机体系结构

五大特点：

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
指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访
指令和数据均用 二进制数 表示
指令由 操作码 和 地址码 组成
指令在存储器内按顺序存放，通常顺序执行

graph TB
    subgraph "冯·诺依曼计算机结构"
        direction TB
        CU[控制器] --> |"控制信号"| ALU[运算器]
        CU --> |"控制信号"| MEM[存储器]
        CU --> |"控制信号"| IN[输入设备]
        CU --> |"控制信号"| OUT[输出设备]

        IN --> |"数据"| MEM
        MEM --> |"数据"| ALU
        ALU --> |"数据"| MEM
        MEM --> |"数据"| OUT
    end

    style CU fill:#ff9999
    style ALU fill:#99ccff
    style MEM fill:#99ff99
    style IN fill:#ffcc99
    style OUT fill:#cc99ff

1.2.2 计算机的硬件框图

传统结构（以运算器为中心）

graph LR
    IN[输入设备] --> |"数据"| ALU[运算器]
    ALU --> |"数据"| MEM[存储器]
    MEM --> |"数据"| ALU
    ALU --> |"数据"| OUT[输出设备]
    CU[控制器] --> |"控制"| ALU
    CU --> |"控制"| MEM
    CU --> |"控制"| IN
    CU --> |"控制"| OUT

现代结构（以存储器为中心）

graph TB
    IN[输入设备] --> |"数据"| MEM[存储器]
    MEM --> |"数据"| OUT[输出设备]
    MEM --> |"数据"| ALU[运算器]
    ALU --> |"数据"| MEM
    CU[控制器] --> |"控制信号"| ALU
    CU --> |"控制信号"| MEM
    CU --> |"控制信号"| IN
    CU --> |"控制信号"| OUT

[!tip] 结构变化的原因以存储器为中心可以减少数据传输的瓶颈，提高系统效率。

1.2.3 各部件功能详解

部件	功能	关键特性
运算器	完成算术运算和逻辑运算	暂存中间结果
存储器	存放数据和程序	按地址访问
控制器	控制指挥程序运行	产生控制信号
输入设备	信息形式转换（人→机）	键盘、鼠标等
输出设备	信息形式转换（机→人）	显示器、打印机等

1.2.4 现代计算机组成

graph TB
    subgraph "现代计算机组成"
        subgraph "主机"
            CPU["CPU"] --> ALU["运算器"]
            CPU --> CU["控制器"]
            MM["主存储器<br/>(主存)"]
        end
        subgraph "外部设备"
            IO["I/O设备"] --> INPUT["输入设备"]
            IO --> OUTPUT["输出设备"]
        end
    end

    CPU <--> |"数据/地址"| MM
    CPU <--> |"数据"| IO
    MM <--> |"数据"| IO

    style CPU fill:#ff9999
    style MM fill:#99ff99
    style IO fill:#99ccff

术语说明：

CPU = 运算器 + 控制器
主机 = CPU + 主存储器
I/O设备 = 输入设备 + 输出设备（外部设备）

1.3 计算机硬件的主要技术指标

1.3.1 机器字长

[!info] 定义 CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU寄存器位数有关。

影响：字长越长，计算精度越高
常见：8位、16位、32位、64位

1.3.2 存储容量

[!info] 定义存储器能存放二进制代码的总位数

计算公式：

存储容量 = 存储单元数 \times 存储字长

单位换算：

1KB = 1024B
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB

1.3.3 运算速度

常用指标：

指标	说明	计算方式
MIPS	每秒百万条指令	指令数 / 执行时间
CPI	每条指令时钟周期数	时钟周期数 / 指令数
FLOPS	每秒浮点运算次数	浮点运算数 / 执行时间

1.3.4 其他指标

主频：CPU时钟频率（GHz）
带宽：数据传输速率（MB/s）
兼容性：软件在不同机器上的通用性

📝 本章小结

核心概念

计算机系统 = 硬件 + 软件
层次结构：从微程序机器到高级语言机器的多级层次
冯·诺依曼体系：存储程序、五大部件、二进制表示
现代计算机：以存储器为中心，CPU = 运算器 + 控制器

关键术语

术语	英文	含义
CPU	Central Processing Unit	中央处理器
ALU	Arithmetic Logic Unit	算术逻辑单元
CU	Control Unit	控制单元
MM	Main Memory	主存储器
I/O	Input/Output	输入输出

重点图示

[!summary] 必须掌握的图

计算机系统层次结构图

冯·诺依曼计算机结构框图

现代计算机组成框图（以存储器为中心）

🧪 自测练习

概念题

简述计算机硬件和软件的关系。
画出计算机系统的五级层次结构，并说明各层功能。
冯·诺依曼计算机有哪些特点？

思考题

为什么要区分计算机体系结构和计算机组成？
现代计算机为什么采用以存储器为中心的结构？

🔗 相关链接

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06_运算方法 - 数据表示相关内容
08_CPU结构与功能 - CPU详细设计

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第1章 计算机系统概论