教材基于《计算机组成原理 第3版》 ——唐朔飞

1. 计算机系统介绍

1.1 计算机的软硬件概念

🌈 计算机系统组成

🔔 知识点：
1️⃣ 在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的。硬件具有更高的执行速度，软件具有更好的灵活性。执行频繁、硬件实现代价不是很高的功能通常由硬件实现。
2️⃣ 完整的计算机系统应该包括：配套的硬件设备和软件系统
3️⃣ 数据库管理系统(DBMS)和数据库系统（DBS）是有区别的。DBMS是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件，是系统软件；而DBS是指计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据库管理系统、数据库管理员(DBA)和应用系统构成。

🔔 计算机的功能部件：

1.2 计算机系统的层次结构

🌈 多级层次结构的计算机系统：

🔔 知识点：
1️⃣ 下层是上层的基础，上层是下层的扩展
🌈 翻译程序：

🔔知识点：
1️⃣ 编译程序：将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序（只需翻译一次)
2️⃣ 解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并立即执行。紧接着再翻译下一句(每次执行都要翻译)

1.3 计算机体系结构和计算机组成

计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性(指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理)
计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性(具体指令的实现)

2. 计算机的基本组成

2.1 冯 · 诺伊曼计算机的特点

🌈 冯诺依曼计算机结构框图：

📘 冯 · 诺伊曼计算机的特点：

• 1️⃣ 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成。
• 2️⃣ 指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访。
• 3️⃣ 指令和数据均用二进制代码表示。
• 4️⃣ 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
• 5️⃣ 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
• 6️⃣ 早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

🔔 知识点：

• 1️⃣ 冯·诺依曼机的基本工作方式是：控制流驱动方式
• 2️⃣ 冯·诺依曼机工作方式的基本特点：按地址访问并顺序执行指令

  2.2 计算机的硬件框图

  🌈 以存储器为中心的计算机结构框图
  
  🔔 知识点：
  1️⃣ 以存储器为中心
  🌈 现代计算机组成框图
  

  2.3 主存储器的基本组成

  🌈 主存储器结构框图
  
  主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出）。这种存取方式称为按地址存取方式，即按地址访问存储器（访存）。
  🔔 知识点：
  1️⃣ IR存放当前欲执行的指令，PC存放下一条指令的地址，不要将它们混淆。此外，MAR用来存放欲访问的存储单元地址，MDR存放从存储单元取来的数据。

  2.4 运算器的基本组成

  🌈 运算器结构框图
  
  🌈 各寄存器存放的各类操作数
  

  2.5 控制器的基本组成

  🌈 控制器结构框图
  

<1> 输入设备，是指将外部信息以计算机能读懂的方式输入进来，如键盘，鼠标等

<2> 输出设备，就是将计算机处理的信息以人所能接受的方式输出出来，比如显示屏，打印机。

<3> 存储器，存储器分为 主存储器(内存储器，CPU能直接访问)和 辅助存储器(外存储器，协助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器的信息需要导入到主存储器中，才可以被CPU访问)。 主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式(相联存储器既可以既可以按照地址寻址，又可以按照内容寻址，为了与传统存储器区别，又称为内容寻址的存储器！) 主存储器是由地址寄存器(MAR)，数据寄存器(MDR)，存储体，时序控制逻辑，地址寄存器存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。数据寄存器，是存储器与其他部件的中介，用于暂存要从存储器读或写的信息。时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。在现代CPU，MAR和MDR是在CPU中的。

2.6 计算机的工作步骤

🌈 计算机工作步骤：
【2021版】1.2.2认识各个硬件部件哔哩哔哩_bilibili





🔔 知识点：
1️⃣ CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段
2️⃣ 现在的计算机通常把MAR、MDR也集成在CPU内

3. 计算机硬件的主要技术指标

3.1 机器字长

🔔 知识点：
1️⃣ 机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

计算机的位数（机器字长），表示计算机进行一次整数运算(即定点整数运算)所能处理的二进制数据的位数。计算机字长通常选定为字节(8位)的整数倍，通常是2,4,8倍。不同的计算机，字节可能不同

机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系是什么？ 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。 存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的长度。等于MDR的位数， 它们都必须是字节的整数倍。 数据字长：数据总线一次能传送信息的位数，它可以不等于MDR的位数。 指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2次访存来取出一条指令，因此取指周期为机器周期的2倍；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期。 早期的计算机存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，因此访问一次主存便可取出一条指令或一个数据。随着计算机的发展，指令字长可变，数据字长也可变，但它们必须都是字节的整数倍。 请注意64位操作系统是指特别为64位架构的计算机而设计的操作系统，它能够利用64位处理器的优势。但64位机器既可以使用64位操作系统，又可以使用32位操作系统。而32位处理器是无法使用64位操作系统的。

3.2 存储容量

🌈 如何计算存储容量

🌈 常用单位

3.3 CPU性能指标

🌈 CPU性能指标：

3.4 系统整体的性能指标

🌈 静态衡量指标

🌈 动态衡量指标

💡 思考

自测题