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第1章　计算机系统概论

一、计算机系统简介

（一）计算机的软硬件概念
1．计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成
（1）所谓“硬件”，是指计算机的实体部分，如主机、外部设备等。
（2）所谓“软件”，是指由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，如操作系统等。
2．计算机的软件通常又可以分为两大类：系统软件和应用软件
（1）系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行。
（2）应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序。

（二）计算机系统的层次结构
1．现代计算机的解题过程，如图1-1所示。

图1-1 计算机的解题过程
（1）早期计算机只有机器语言，用户用二进制代码来编写程序，如图1-2所示。

计图1-2 实际机器M1
（2）汇编语言。没有机器能直接识别这种语言，必须先将汇编语言程序翻译成机器语言程序，然后才能被机器接受自动运行。算机系统便具有两级层次结构，如图1-3所示。

图1-3 具有两级层次结构的计算机系统
（3）高级语言，如FORTRAN、BASIC等。有三级层次结构的计算机系统，如图1-4所示。
图1-4 具有三级层次结构的计算机系统
（4）翻译程序有两种：一种是编译程序，另一种是解释程序。
①编译程序是将用户编写的高级语言程序的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。
②解释程序是将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的一条语句，并且立即执行这条语句，接着翻译源程序的下一条语句，并执行这条语句。
（5）由于软件的发展，机器M0是直接将机器M1中的每一条机器指令翻译成一组微指令，即构成一个微程序。这样又可认为计算机系统具有四级层次结构，如图1-5所示。

图1-5 具有四级层次结构的计算机系统
（6）上述四级层次结构的系统中，实际上在实际机器M1与虚拟机器M2之间还有一级虚拟机器，它是由操作系统软件构成的，如图1-6所示。

图1-6 多级层次结构的计算机系统

（三）计算机组成和计算机体系结构
1．计算机体系结构
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，即概念性的结构与功能特性。包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等。
2．计算机组成
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。例如，指令系统体现了机器的属性，这属于计算机结构的问题。但指令的实现，即如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果等，这些都属于计算机组成问题。

二、计算机的基本组成

（一）冯·诺依曼计算机的特点
冯·诺依曼（Von Neumann）提出了“存储程序”的概念。以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机。它的特点可归结如下：
①计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。
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。
③指令和数据均用二进制数表示。
④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。
⑤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。
⑥机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

（二）计算机的硬件框图
典型的冯·诺依曼计算机是以运算器为中心的，如图1-7所示。

图1-7 典型的冯·诺依曼计算机结构框图
现代的计算机已转化为以存储器为中心，如图1-8所示。

图1-8 以存储器为中心的计算机框图
1．图中各部件的功能
①运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；
②存储器用来存放数据和程序；
③控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果；
④输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式；
⑤输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式。
2．现代计算机由三大部分组成：
CPU、I/O设备及主存储器（Main Memory，MM），如图1-9所示。

图1-9 现代计算机的组成框图
（1）算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算。
（2）控制单元（Contro1 Unit，CU）用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。ALU和CU是CPU的核心部件。
（3）I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入、输出操作。

（三）计算机的工作步骤
1．上机前的准备
（1）建立数学模型
建立数学模型，研究对象的变化规律就变成了解一系列数学问题，可通过计算机求解。
（2）确定计算方法
确定对应的计算方法，将其变成适合计算机运算的加、减、乘、除四则运算
（3）编制解题程序
编制解题程序就是将运算步骤用一一对应的机器指令描述。
2．计算机的工作过程
细化的计算机组成框图，如图1-10所示。

图1-10 细化的计算机组成框图
（1）主存储器
主存储器（简称主存或内存）包括存储体M、各种逻辑部件及控制电路等。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）。
（2）运算器
运算器最少包括3个寄存器和一个算术逻辑单元（ALU）。表1-1列出了寄存器存放不同类别操作数的情况。

表1-1 各寄存器所存放的各类操作数
（3）控制器
控制器是计算机的神经中枢，由它指挥各部件自动、协调地工作。控制器由程序计数器（Program Counter，PC）、指令寄存器（Instruction Register，IR）以及控制单元（CU）组成。
①PC用来存放当前欲执行指令的地址，且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。
②IR用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。IR中的操作码（OP（IR））送至CU，记作OP（IR）→CU，用来分析指令。
（4）I/O
I/O子系统包括各种I/O设备及其相应的接口。

三、计算机硬件的主要技术指标

（一）机器字长
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。

（二）存储容量
存储器的容量应该包括主存容量和辅存容量。主存容量是指主存中存放二进制代码的总位数。辅存容量通常用字节数来表示。

（三）运算速度
计算机的运算速度与机器的主频、执行什么样的操作、主存本身的速度（主存速度快，取指、取数就快）等都有关。