第一章 计算机系统概论

主要研究数据和指令的组织，基本运算的算法，数据的存取、 传送和加工处理，数据流和指令流的控制方式等 。例如,如 何实现乘法指令？
什么是计算机实现（Computer Implementation）?
指计算机功能的物理实现。包括片子、模块、插件、底板的 划分与连结等。
6
第一节 计算机系统简介
计算机系统=硬件系统+软件系统
14 置、使用高速总线
摩尔定律
“每年将缩小硅片中形成晶体管电路的 细线尺寸的10%，芯片制造商能够每3年 发布新一代的芯片，其晶体管数为上一 代的4倍。”
“每18个月集成度将翻一翻，速度将提 高一倍，而价格将降低一半” 。
事实：
格登·摩尔照片
❖ 内存芯片DRAM的容量每3年提高4倍。
❖ 微处理器，通过增加新的电路，减小电路之间的距离来提 高速度，使得从Intel公司自1979年推出它的X86系列以来， 性能每3年提高4~5倍。
程序执行时间
一般用执行时间对计算机性能进行综合评测。
12
第三节 计算机硬件的主要技术指标
时钟频率 ➢ 其他指标不变的情况下，主频越快，机器速度越快。
加法指令执行速度 ➢ 用加法指令速度衡量，单位为MIPS (每秒百万条指令)等。
等效指令速度（Gibson混合法） ➢ 设某类指令i在程序中所占比例为wi，执行时间为ti，则等 效执行时间为：T= w1x t1+w2 x t2 +…+wn x tn
其他 ➢ CPI：执行一条指令所需时钟周期（主频倒数）数。 ➢ FLOPS：每秒浮点运算次数。有MFLOPS、TFLOPS、 PFLOPS等。
13
第三节 计算机硬件的主要技术指标
性能设计应从以下几方面考虑 1. 微处理器速度 （1）元器件本身的速度不断提高，容量不断增加 （ 遵循摩尔定律 ） （2）快速提供指令流（指令预取、流水线、超标量等） 2. 性能平衡 （1）处理器和主存之间 引入Cache、采用多模块存储器结构、 增加处理器和主存 间的带宽、使用高速总线 （2）处理器和I/O之间 在处理器和I/O之间引入缓冲和暂存机制、 使用多处理器配

看不见、摸不着
2
1.1
用来管理整个计算机系统， 系统软件 监视服务，使系统资源得到 (系统程序) 合理调度，高效运行。
语言处理程序（编译程序）
软 件
操作系统 数据库管理系统
服务性程序（诊断、调试、连接）
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序 3 (应用程序)
二、计算机系统的层次结构 1. 计算机的解题过程
35
例：微机A和B是采用不同主频的CPU芯片，片内逻辑电 路完全相同。 (3) B机的平均指令执行速度为多少? 解答： (3) A机平均每条指令的时钟周期数=2.5μs/0.125μs=20。 因微机A和B片内逻辑电路完全相同，所以B机平均每 条指令的时钟周期数也为20。 由于B机的CPU主频为12MHz．所以B机的CPU时钟 周期=1/12MHz= 1/12μs。 B机的平均指令周期=20×(1/12）=5/3μs。 B机的平均指令执行速度=1/(5/3)μs=0.6MIPS。 另解：B机的平均指令执行速度=A机的平均指令执行 速度0.4MIPS×(12/8）=0.6MIPS。
计算机 组成
如何实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）（对程序员透明—不知道）
如何实现乘法指令
7
1.2 计算机的基本组成
电子计算机是一种自动计算工具，而算盘是手动计 算工具。 计算机有存储程序的功能，即能把由操作步骤编制 成的程序(program)记住，然后按程序的要求，逐 一完成程序规定的操作任务——程序存储控制原理
1.1
高级语 言程序 (源程序)
翻译
目标 程序
运行
结果
计算机
4
2、计算机系统的层次结构
高级语言
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3

18800电子管 18800电子管 30吨 30吨 150平方米 150平方米 150kw 5000次十进制加法 次十进制加法/ 5000次十进制加法/秒
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；

输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备 所能接收和识别的信息形式
适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进 行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作
总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行 数据传送的公共通路。
总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、 适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的 计算机硬件。
➢ 指令和数据存储
控制器的基本组成
完成 取指令 PC
CU
一条 分析指令 IR 指令 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC
IR 存放当前欲执行的指令
1.3计算机的硬件
六、控制器的基本任务
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条 取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周 期
控制器
1 MAR MDR 4
主存储器 8
1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类 计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机 系统中不可少的无形部件。主要有两大类：
系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高 计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。 它包括以下四类：
①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 ②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 ③操作系统 ④数据库管理系统
运算电路单元
寄存器B
累加器A
运算器的基本组成及操作过程
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法 被加数 和
减法 乘法
被减数 差
乘积高位
乘数 乘积低位

第1章计算机系统概论第1章计算机系统概论第一章计算机系统概论计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的，其功能是完成数据的输入、传送、存储、处理和输出。

本章介绍计算机系统的基本组成、层次结构和体系结构，认识计算机体系结构、组成和实现三者之间的关系。

1.1计算机系统的基本组成计算机系统的基本组成可以分为硬件和软件两部分。

硬件是其物质基础，是软件的载体；软件则是计算机系统的灵魂。

没有硬件，软件就不能运行；没有软件，硬件就发挥不了作用，从而失去存在的价值。

因此二者紧密相关，缺一不可。

1.1.1硬件组成一般来说，计算机的硬件组成可以用图1-1来表示。

对微型机来说，运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理部件(cpu)。

cpu和内存储器统称为主机。

输入设备和输出设备统称为外围设备。

所谓输入与输出，是相对于主机系统而言的。

磁盘系统既是输入设备，也是输出设备。

当保存一个文档时，磁盘就是一个输出设备；当打开一个文档时，磁盘就作为输入设备使用。

主机和外围设备组成了计算机的硬件系统。

各部件之间使用三条总线连接，各部件之间就通过这三条总线实现信息传送。

注意，所有外围设备都是通过接口线路和总线连接的。

通常，cpu只与接口打交道(传递信息)，而不与外围设备直接打交道。

数据总线(dbus)是双向总线，在不同时刻可以在不同方向上传递数据，但同一时刻只能在一个方向传递数据。

地址总线(abus)用来选择发送数据或接收数据的地址。

地址总线上的信息通常是由cpu提供的。

当cpu将总线控制权转交给dma控制器时，地址总线上的信息便由dma控制器提供，这时cpu对外表现为高阻态。

dma控制器通常用于控制主机(内存)和高速外围设备(如磁盘)之间的数据传送。

控制总线(cbus)中的大部分信息由cpu提供，也有一些由内存或外围设备提供，但它不是双向总线；在大多数情况下，任何一条控制总线上的信息总是向着一个方向传递。

计算机的主要功能是处理数据。

}
以上两个程序功能完全一样，算法完全一样，因此，时间和空
间复杂度完全一样，执行时间一样吗？
21 times slower (Pentium 4) Why？
理解该问题需要知道： 数组的存放方式 Cache机制 访问局部性
……
用“系统思维”分析问题
使用老版本gcc –O2编译时，程序一输出0，程序二输出却是1 Why？
理解该问题需要知道： IEEE 754 的表示 X87 FPU的体系结构 IA-32和x86-64中过程 调用的参数传递 计算机内部的运算电路 ……
在IA-32上运行时，打印结果为a=0 在x86-64上运行时，打印出来的a是一个不确定值 为什么？
用“系统思维”分析问题
double fun(int i) {
数据的表示 数据的运算 各类语句的转换与表示(指令) 各类复杂数据类型的转换表示 过程（函数）调用的转换表示
/*---main.c---*/
int main() {
int a[1]={100}; int sum; sum=sum(a,0); printf(“%d”,sum); }
链接（linker）和加载 程序执行（存储器访问） 异常和中断处理 输入输出(I/O)
主要内容
• 课程由来 • 课程内容概要 • 冯.诺依曼结构计算机特点 • 程序的开发和执行过程 • 计算机系统层次结构 • 计算机性能评价
什么是计算机系统？
程序执行结果 不仅取决于
算法、程序编写 而且取决于
语言处理系统 操作系统 ISA 微体系结构
不同计算机课程 处于不同层次
必须将各层次关 联起来解决问题
当count=230+1时， 程序会发生什么情况？
int *myarray = (int *) malloc(count*sizeof(int));

第1章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。

计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。

计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。

2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。

（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。

（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。

（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。

通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。

各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。

3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。

答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。

高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。

4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O 机理等。

计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。

5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，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；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。

5
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
9
1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。

专业评测报告
权威机构或媒体对特定型号计算机 的性能评测。
04
计算机性能优化与升级
清理不必要的软件和文件
释放硬盘空间，提高系统运行速度。
优化启动项和服务
减少不必要的自启动程序和服务，提高系统响应速度。
升级硬件
根据性能瓶颈选择升级处理器、内存、硬盘或显卡等硬件。
维护散热系统
保持良好散热，避免因过热导致性能下降或硬件损坏。
总线与主板
总线是计算机中各个部件之间传输数据的通道。
总线的带宽和传输速率对计算机的性能有很大影响，总 线带宽越大、传输速率越高，数据传输越快。
主板是计算机中各个部件的载体，上面安装了中央处理 器、内存、显卡等关键部件。
主板的质量和稳定性对计算机的性能和使用寿命也有很 大影响。
03
计算机软件系统
系统软件
计算机网络拓扑结构是指网络中各个 节点相互连接的方式，常见的拓扑结 构有星型、总线型、环型和网状型。
互联网的发展与组成
起源与发展
互联网起源于美国国防部高级研 究计划署的ARPANET项目，经过
多年的发展，形成了全球性的信 息共享平台。
组成结构
互联网由多个网络通过路由器连接 而成，采用TCP/IP协议进行通信， 实现了各种不同类型计算机和网络 的互联互通。
存储器
01
02
03
04
存储器是计算机中用于存储 数据和程序的硬件设备。
按照存储速度和访问方式， 存储器可以分为高速缓存、
主存和外存等类型。
高速缓存采用快速的存储介质， 如SRAM，以实现快速的读写速度；
主存采用较慢的存储介质，如 DRAM，以实现较大的存储容量； 外存则采用更慢的存储介质，如 SSD、HDD等，以实现更大容量

▪ 上海超级计算中心的“曙光”5000A位列第15名。
2020/4/5
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超级计算机世界500强 排行榜前十名榜单（2010.6）
1.美国克雷公司 美洲豹 1.75 petaflop/s
2.中国曙光公司 星云 1.27 petaflop/s
3.美国IBM公司 走鹊
1.105 petaflop/s
4.美国克雷公司 克拉肯
▪ 这是自2004年以来，日本制造的超级计算机第一 次成为全球速度最快的超级计算机。据悉，K Computer的计算性能高达10petaflop/s（千万亿 次/秒），远超去年11月时位于榜首的超级计算机。 去年11月时排在计算性能排行榜第一位的是中国 天津国家超级计算中心的天河-1A，它的计算性 能为2.6petaflop/s。
▪ –内存总容量98TB ；
▪ –点点通信带宽40Gbps ；
▪ –共享磁盘总容量为1PB
▪ 天河一号A
▪ –2048颗我国仿制sun公司的UltraSparc T2 处理器（飞腾FT-1000）八核心处理器
▪ –14336颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心 处理器
▪ –7168块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡
27
▪ 差距不容忽视——
▪ 核心差距在软件和应用，任务长期而艰巨
▪ 在硬件方面，不论是“天河一号”A，还是 “曙光星云”，其主要核心芯片都采用的 是美国的产品。在专家眼里，这个差距虽 然明显，但不是核心差距，更大的差距在 软件和应用方面，欠缺更多的是“软实 力”。
2020/4/5
28
▪ 北京时间2011年6月20日消息，据国外媒体报道， 国际超级计算机组织在德国汉堡召开2011年年会 并公布今年6月份的全球超级计算机500强名单。 今年排在超级计算机500强名单首位的超级计算 机是日本RIKEN高级计算机科学研究所的K Computer。

第1章 计算机系统概论

计算机的基本构成 计算机的系统结构 计算机的发展历史 数据编码和数据运算 嵌入式系统简介
1、 计算机系统的基本构成

1.1 计算机的基本构成
1. 运算器 2. 存储器 3. 控制器 4. 输入输出设备 5. 系统连接


1.2 计算机软件概述

Байду номын сангаас

控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求指 挥所有其它部件的工作，为此它根据指令生成一系 列时序控制信号，控制其它单元工作。 控制器不断地从存储器中读取指令，然后分析指令 的含义（译码），并执行该指令的操作，执行完成 以后又从存储器中读取下一条指令。
控制器—程序

一条计算机指令的功能是有限的，完成复杂的运算 功能需要将多条指令组合起来构成一个指令序列。 这样的一个完成某种功能的指令序列成为程序。 指令在计算机中用二进制的代码（机器码）表示， 以便于硬件的识别。 程序在执行前存储在主存储器中，控制器通常按指 令的顺序自动地从存储器中取出指令并依次执行， 或者根据指令决定执行的顺序（如跳转指令等）。

双字 四倍字
存储器

字数：存储器的地址范围
所需要的地址总线

位数：存储器的数据范围
所需要的数据总线
0005H 0004H 0003H
通常带地址的存储器基本单元 都是1Byte（8bit）的数据容量
0002H 0001H 0000H
存储器组织


8位
FFFFFF FFFFFE …… 000001 000000 FFFFFF FFFFFD …… 000003 000001

ALU

1.4计算机的软件
二、软件的发展演变
编程语言的发展
➢ 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 ➢ 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 ➢ 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解
释程序
系统软件的发展
➢ 操作系统：批处理操作系统、分时操作系统、实时 操作系统、网络操作系统
➢ 数据库管理系统：FOXPRO、SQL、ORACLE
210 byte＝1K 210 K＝1M 210 M＝1G 210 G＝1T
2024/6/5
21
1.3计算机的硬件
六、控制器
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、 指令译码、执行指令。取指周期和执行周期
2024/6/5
22
1.3计算机的硬件
六、控制器 指令有两部分：操作的性质和操作的地址
操作码
地址码
指出指令所进行的操作 加、减、乘、除、取数、存数等
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元取 运算的结果应存到哪个单元
2024/6/5
23
1.3计算机的硬件
六、控制器
控制器完全如何区分开哪些是指令字，哪些是数 据字?
时间上和空间上： 取指周期中从内存读出的信息流是指 令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信 息流是数据流，它由内存流向运算器。
专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的 计算机，但是它的适应性很差。
通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了 效率、速度和经济性。
2024/6/5
4
1.1计算机的分类
三、通用计算机分类
通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、 性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器 价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 工作站 微型机 单片机

•层次结构的缺点是较之简单模块组合结构，其效率 有所降低，过去可以直接通信的问题，现在可能要通 过若干层的调用。
1.4.3 微内核结构（Microkernel Architecture）
•微内核结构的操作系统由两部分组成：运行在核 心态的内核和运行在用户态的进程层。内核提供操 作系统的基本操作，如线程调度、虚拟存储、消息 传递、设备驱动、中断处理以及内核的原语操作等。 其他的操作系统服务是由运行在用户模式下，且与 其他应用程序类似的进程提供。 •微内核结构把内核与服务程序分离开，操作系统 在内核中建立起最小机制，把更多的内容留给用户 空间的服务进程，服务程序可以根据特定的应用和 环境定制。
3 数据交换
• 计算机处理器与内存交换数据。这是计算 机数据交换的主要方式。 • I/O模块直接与内存交换数据。称为直接 内存存取（Direct Memory Access DMA） • I/O模块与处理器直接交换数据。
1.1.3 存储设备
计算机处理的信息都在存储设备上存储。基 于对存储器的容量、速度和价格的综合考虑， 在计算机系统中使用多种不同的存储器，它 们一般包括：寄存器、高速缓冲存储器、主 存储器（内存）、辅助存储器（外存）。
1 处理器的寄存器（Register）
• 存储器地址寄存器（Memory Address Register, MAR）：存放下一次读写的存储器地址。
• 存储器缓冲寄存器（Memory Buffer Register, MBR）：存放将要写入存储器的数据或者从存储 器读取的数据。 • 输入输出地址寄存器（I/O Address Register, I/O AR）：存放下一次读写的特定的输入输出设备。
1.3操作系统的发展和分类 1.3.1 操作系统的发展历史

输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、
字母、表格、图形等。
计算机硬件的组成框图
CPU（包括运算器和控制器） 存储器 ROM RAM 输入/输出设备(I/O设备) 运算器 和控制 总线 器 DB—DATA BUS CPU AB—ADDRESS BUS CB—CONTROL BUS
计算机硬件系统组成
22
1.3 什么是硬件?什么是软件?两者谁更重要? 为什么？ 答：硬件是计算机系统的实体部分，它由看得 见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机 设备的实物组成，包括主机和外部设备等。 软件是指用来充分发挥硬件功能，提高机器 工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算 机系统工作的程序集合，是无形的。 硬件和软件是不可分割的统一体，前者是后 者的物质基础，后者是前者的“灵魂"，它们 23 相辅相成，互相促进。
软件部分 硬、软界面 硬件部分
操作系统软件层（操作系统） 指令系统层（指令系统） 微体系结构层（微程序控制器） 数字逻辑层（硬件逻辑部件）
计算机系统的层次结构
站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性各不相同。
计算机系统的层次结构 （2）软件和硬件逻辑上的等价性
计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执 行程序方式体现其功能。硬件完成最基本的功能，而复杂 的功能则通过软件实现。计算机是一个软件和硬件结合的 整体系统。
计算机的语言简介
自然语言：人类相互交流信息所用的语言。 高级语言：一种和自然语言接近并能为计算机接受 的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。 汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。 机器语言：机器能执行的语言，这种语言被称为机器 语言（由二进制代码表示的指令组成）。

计算机组成与结构第1章计算机系统概论在当今数字化的时代，计算机已经成为我们生活中不可或缺的一部分。

从日常的通信交流到复杂的科学研究，从娱乐消遣到工业生产，计算机的身影无处不在。

要深入理解计算机是如何工作的，以及如何更好地利用它，我们首先需要了解计算机系统的组成与结构。

计算机系统可以看作是一个由多个部分协同工作的复杂整体。

它就像是一个高效运转的工厂，每个部件都有其特定的功能和职责。

首先，让我们来谈谈计算机的硬件部分。

硬件是计算机系统的物理基础，包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备和存储设备等。

中央处理器，也就是 CPU，是计算机的“大脑”。

它负责执行计算机程序中的指令，进行算术运算和逻辑判断。

想象一下，CPU 就像是工厂里的指挥中心，决定着生产的流程和节奏。

内存则是计算机的“临时工作区”，用于存储正在运行的程序和数据。

它的读写速度很快，但容量相对较小。

内存就像是工人手边的工作台，能够快速地获取和处理所需的工具和材料。

输入设备允许我们向计算机提供信息，比如键盘、鼠标、扫描仪等。

它们就像是工厂的原材料入口，将各种信息输入到计算机系统中。

输出设备则负责将计算机处理后的结果展示给我们，例如显示器、打印机、扬声器等。

可以把输出设备想象成工厂的成品出口，将生产出来的产品展示给外界。

存储设备用于长期保存数据和程序，包括硬盘、光盘、U盘等。

存储设备就像是工厂的仓库，能够大量且长期地存储各种物品。

接下来，我们再看看计算机的软件部分。

软件是计算机系统的灵魂，它指挥着硬件完成各种任务。

软件可以分为系统软件和应用软件两大类。

系统软件是管理和控制计算机硬件与软件资源的程序，比如操作系统、编译器、驱动程序等。

操作系统就像是工厂的管理层，负责协调各个部门的工作，确保整个工厂的高效运转。

应用软件则是为了满足用户的特定需求而开发的程序，例如办公软件、游戏软件、图像处理软件等。

应用软件就像是工厂里的各种生产线，专门生产特定类型的产品。

用一段文字简述“第1章计算机系统概论”学到的知识
点
第1章计算机系统概论主要介绍了计算机系统的基本概念和组成部分。

学习了本章后，我们获得了以下知识点：
1.计算机系统的组成：计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。

其中硬件系统包括了计算机的主机、外设、中央处理器等；软件系统则是
指操作系统和应用软件等。

2.计算机系统的层次结构：计算机系统可以分为四个层次：底层硬件、操作系统、应用程序和用户。

每一层都有自己的功能和相应的软件支持。

3.计算机的基本组成：计算机由多个部件组成，包括中央处理器、内存、输入设备和输出设备。

中央处理器是计算机的核心，负责处理和执行
程序；内存用于存储数据和程序；输入设备用于接收外部输入；输出设备
用于将计算机处理结果输出给外部。

4.存储技术：计算机系统中的存储技术主要包括主存储器和辅助存储器。

主存储器是计算机中的内存，用来暂时存储程序和数据；辅助存储器
则是永久性存储介质，如硬盘、光盘等。

5.输入输出系统：计算机的输入输出系统是将外部输入转换成计算机
可处理的数据，并将处理结果输出给外部的过程。

输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

总之，通过学习第1章计算机系统概论，我们了解了计算机系统的基
本概念、组成部分和层次结构，以及计算机的基本组成、存储技术和输入
输出系统。

这是我们理解计算机系统运行原理和使用计算机的基础知识。

第一章计算机系统概论计算机的硬件是由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。

早起将运算器和控制器合在一起称为CPU（中央处理器）。

目前的CPU包含了存储器，因此称为中央处理器。

存储程序并按地址顺序执行，这是冯·诺依曼型计算机的工作原理，也是CPU自动工作的关键。

计算机系统是一个有硬件、软件组成的多级层次结构，它通常由微程序级、一般程序级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。

习题：4冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括那些主要组成部分？主要设计思想是：存储程序通用电子计算机方案，主要组成部分有：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备5什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。

每个存储单元都有编号，称为单元地址。

如果某字代表要处理的数据，称为数据字。

如果某字为一条指令，称为指令字7指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？每一个基本操作称为一条指令，而解算某一问题的一串指令序列，称为程序第二章运算方法和运算器按对阶操作。

直接使用西文标准键盘输入汉字，进行处理，并显示打印汉字，是一项重大成就。

为此要解决汉字的输入编码、汉字内码、子模码等三种不同用途的编码。

1第三章 内部存储器CPU 能直接访问内存（cache 、主存）双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器结构。

cache 是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU 和主存之间速度不匹配而采用的一项重要的硬件技术，并且发展为多级cache 体系，指令cache 与数据cache 分设体系。

要求cache 的命中率接近于1适度地兼顾了二者的优点又尽量避免其缺点，从灵活性、命中率、硬件投资来说较为理想，因而得到了普遍采用。

习题： 1设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：（1）该存储器能存储多少个字节的信息？（2）如果存储器由512K ×8位SRAM 芯片组成，需要多少片；（3）需要多少位地址做芯片选择？(1)字节M 4832*220= (2)片84*28*51232*1024==K K (3)1位地址作芯片选择 2 已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用4M ×8位DRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用内存条结构形式，问：（1） 若每个内存条16M ×64位，共需几个内存条？（2）每个内存条共有多少DRAM 芯片？ （3）主存共需多少DRAM 芯片？CPU 如何选择各内存条？(1). 共需模块板数为m ：m=÷2^24=4(块)(2). 每个模块板内有DRAM 芯片数为32 (片)(3) 主存共需DRAM 芯片为：4*32=128 (片)每个模块板有32片DRAM 芯片，容量为16M ×64位，需24根地址线(A23~A0) 完成模块板内存储单元寻址。