计算机组成原理第1章 计算机系统概述素材整理自戴志涛白中英.《计算机组成原理第七版》科学出版社“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。本文为本科课程作业仅对教材内容进行梳理总结不用于商业用途。引言本章作为全书开篇从算盘解题的类比入手由浅入深讲解计算机硬件五大部件、软件分类、冯·诺依曼体系、计算机性能评价指标与系统层次结构建立完整计算机系统的宏观认知区分计算机组成、计算机体系结构、计算机实现三个核心概念。一、计算机硬件组成我们可以借助算盘计算 yaxb-c 的例子理解计算机硬件的设计逻辑。算盘承担运算功能纸张记录原始数据与解题步骤人负责控制整个计算流程。电子数字计算机将这套人工流程全部电路化划分出五大基础硬件部件1. 运算器相当于算盘核心部件为ALU算术逻辑单元。负责完成加、减、乘、除算术运算以及各类逻辑运算。计算机内部全部采用二进制只用0、1两种符号依靠电平高低实现运算规则简单适合电子器件实现。2. 存储器相当于记录数据、步骤的纸张用来保存原始数据、指令代码。存储器由大量存储单元构成每个单元拥有唯一地址。存储容量单位有KB、MB、GB等。存储器分为内存与外存内存访问速度快、容量小、成本高外存容量大、速度慢用于长期保存数据。现代计算机还引入高速缓存Cache解决内存速度与成本之间的矛盾。3. 控制器计算机的指挥核心与运算器共同集成在CPU内。控制器从存储器取出指令解析指令的操作码与地址码依据指令控制其余硬件协同完成运算。一条指令分为操作码和地址码操作码说明要执行的操作加、减、取数等地址码指明参与运算数据存放的存储单元地址。指令与数据都以二进制形式存放在存储器中存储器可以同时存放指令和数据。控制器读取的指令序列称为指令流运算器读取的数据序列称为数据流。4. 输入设备向计算机送入信息将外界信息转换为计算机可识别的二进制信号如键盘、鼠标、扫描仪。5. 输出设备把计算机内部二进制结果转换为人能看懂的形式如显示器、打印机。输入输出设备统称为外设I/O设备外设通过适配器与系统总线相连。系统总线是计算机内部传输地址、数据、控制信号的公共通道。二、计算机软件系统仅有硬件的计算机无法自主工作硬件如同算盘软件相当于解题规则与步骤。计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。1. 系统软件简化程序设计、提高计算机使用效率。包含操作系统、编译程序、汇编程序、数据库管理系统等。- 机器语言计算机可以直接识别由二进制0、1代码构成编写难度大可读性差。- 汇编语言使用助记符代替二进制指令需要汇编程序翻译为机器语言。- 高级语言如C、Java贴近人类自然语言通用性强需要编译程序翻译成机器目标代码再经过链接器生成可执行程序。2. 应用软件面向特定业务场景满足用户的具体需求例如信息管理、图像处理类程序。软件与硬件具备逻辑等价性某些功能既可以用硬件电路直接实现也可以编写软件程序完成。硬件实现速度更快但成本高软件实现修改灵活但运行速度相对慢。三、冯·诺依曼体系与哈佛结构1. 冯·诺依曼体系结构核心思想存储程序。将程序与数据预先存入同一个存储器计算机自动依次读取指令、执行指令。五大核心要点① 计算机由运算器、控制器、存储器、输入、输出五大部件组成② 采用二进制表示数据和指令③ 指令和数据共同存放在存储器中④ 指令由操作码、地址码构成⑤ 控制器依据存储的程序自动控制硬件运行。2. 哈佛结构将程序存储器与数据存储器相互独立使用分开的总线取指令与读取数据可以并行操作提升吞吐率。现代高性能CPU大多采用改进哈佛结构在冯诺依曼基础上引入Cache兼顾通用性与并行性能。四、计算机系统的层次结构计算机是多层级系统从底层硬件向上逐层抽象1级微程序机器级硬件直接执行2级一般机器级机器语言3级操作系统级4级汇编语言级5级高级语言级每一层都可以向下一层提供支持上层用户不用关心底层硬件细节只需要使用本级语言编程。五、计算机性能评价衡量计算机性能不能只看主频常用指标1. CPI每条指令执行需要的时钟周期数。2. MIPS每秒百万条指令数衡量指令执行速度。3. FLOPS每秒浮点运算次数用来评价科学计算性能。测试计算机真实性能一般使用基准测试程序Benchmark例如SPEC测试套件使用真实负载评估整机性能避免单一理论指标带来的片面评价。区分三个概念- 计算机体系结构程序员所看到的计算机系统属性指令集、寻址方式等- 计算机组成体系结构的逻辑实现包含硬件部件如何连接- 计算机实现硬件的物理实现芯片、电路板等物理器件本章小结1. 计算机硬件五大部件运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备运算器控制器合称CPU。2. 计算机分为硬件和软件软件分为系统软件、应用软件软硬件存在逻辑等价性。3. 冯·诺依曼核心是存储程序原理指令和数据存放在同一存储器哈佛结构指令、数据存储器分离支持并行访问。4. 指令由操作码、地址码组成指令流、数据流是CPU访问存储器的两类信息流。5. 计算机性能使用CPI、MIPS、FLOPS以及基准测试程序综合评价。6. 计算机系统是多层次结构逐层向上抽象屏蔽底层硬件细节。参考文献戴志涛,白中英.计算机组成原理第七版[M].北京:科学出版社.说明本文为本科课程作业仅对教材内容进行整理归纳引用内容均标注来源不做商业用途。 
长河君 · 2026/10/11 8:36:30 · 阅读 1.2k 计算机组成原理第1章 计算机系统概述
计算机组成原理第1章 计算机系统概述素材整理自戴志涛白中英.《计算机组成原理第七版》科学出版社“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。本文为本科课程作业仅对教材内容进行梳理总结不用于商业用途。引言本章作为全书开篇从算盘解题的类比入手由浅入深讲解计算机硬件五大部件、软件分类、冯·诺依曼体系、计算机性能评价指标与系统层次结构建立完整计算机系统的宏观认知区分计算机组成、计算机体系结构、计算机实现三个核心概念。一、计算机硬件组成我们可以借助算盘计算 yaxb-c 的例子理解计算机硬件的设计逻辑。算盘承担运算功能纸张记录原始数据与解题步骤人负责控制整个计算流程。电子数字计算机将这套人工流程全部电路化划分出五大基础硬件部件1. 运算器相当于算盘核心部件为ALU算术逻辑单元。负责完成加、减、乘、除算术运算以及各类逻辑运算。计算机内部全部采用二进制只用0、1两种符号依靠电平高低实现运算规则简单适合电子器件实现。2. 存储器相当于记录数据、步骤的纸张用来保存原始数据、指令代码。存储器由大量存储单元构成每个单元拥有唯一地址。存储容量单位有KB、MB、GB等。存储器分为内存与外存内存访问速度快、容量小、成本高外存容量大、速度慢用于长期保存数据。现代计算机还引入高速缓存Cache解决内存速度与成本之间的矛盾。3. 控制器计算机的指挥核心与运算器共同集成在CPU内。控制器从存储器取出指令解析指令的操作码与地址码依据指令控制其余硬件协同完成运算。一条指令分为操作码和地址码操作码说明要执行的操作加、减、取数等地址码指明参与运算数据存放的存储单元地址。指令与数据都以二进制形式存放在存储器中存储器可以同时存放指令和数据。控制器读取的指令序列称为指令流运算器读取的数据序列称为数据流。4. 输入设备向计算机送入信息将外界信息转换为计算机可识别的二进制信号如键盘、鼠标、扫描仪。5. 输出设备把计算机内部二进制结果转换为人能看懂的形式如显示器、打印机。输入输出设备统称为外设I/O设备外设通过适配器与系统总线相连。系统总线是计算机内部传输地址、数据、控制信号的公共通道。二、计算机软件系统仅有硬件的计算机无法自主工作硬件如同算盘软件相当于解题规则与步骤。计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。1. 系统软件简化程序设计、提高计算机使用效率。包含操作系统、编译程序、汇编程序、数据库管理系统等。- 机器语言计算机可以直接识别由二进制0、1代码构成编写难度大可读性差。- 汇编语言使用助记符代替二进制指令需要汇编程序翻译为机器语言。- 高级语言如C、Java贴近人类自然语言通用性强需要编译程序翻译成机器目标代码再经过链接器生成可执行程序。2. 应用软件面向特定业务场景满足用户的具体需求例如信息管理、图像处理类程序。软件与硬件具备逻辑等价性某些功能既可以用硬件电路直接实现也可以编写软件程序完成。硬件实现速度更快但成本高软件实现修改灵活但运行速度相对慢。三、冯·诺依曼体系与哈佛结构1. 冯·诺依曼体系结构核心思想存储程序。将程序与数据预先存入同一个存储器计算机自动依次读取指令、执行指令。五大核心要点① 计算机由运算器、控制器、存储器、输入、输出五大部件组成② 采用二进制表示数据和指令③ 指令和数据共同存放在存储器中④ 指令由操作码、地址码构成⑤ 控制器依据存储的程序自动控制硬件运行。2. 哈佛结构将程序存储器与数据存储器相互独立使用分开的总线取指令与读取数据可以并行操作提升吞吐率。现代高性能CPU大多采用改进哈佛结构在冯诺依曼基础上引入Cache兼顾通用性与并行性能。四、计算机系统的层次结构计算机是多层级系统从底层硬件向上逐层抽象1级微程序机器级硬件直接执行2级一般机器级机器语言3级操作系统级4级汇编语言级5级高级语言级每一层都可以向下一层提供支持上层用户不用关心底层硬件细节只需要使用本级语言编程。五、计算机性能评价衡量计算机性能不能只看主频常用指标1. CPI每条指令执行需要的时钟周期数。2. MIPS每秒百万条指令数衡量指令执行速度。3. FLOPS每秒浮点运算次数用来评价科学计算性能。测试计算机真实性能一般使用基准测试程序Benchmark例如SPEC测试套件使用真实负载评估整机性能避免单一理论指标带来的片面评价。区分三个概念- 计算机体系结构程序员所看到的计算机系统属性指令集、寻址方式等- 计算机组成体系结构的逻辑实现包含硬件部件如何连接- 计算机实现硬件的物理实现芯片、电路板等物理器件本章小结1. 计算机硬件五大部件运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备运算器控制器合称CPU。2. 计算机分为硬件和软件软件分为系统软件、应用软件软硬件存在逻辑等价性。3. 冯·诺依曼核心是存储程序原理指令和数据存放在同一存储器哈佛结构指令、数据存储器分离支持并行访问。4. 指令由操作码、地址码组成指令流、数据流是CPU访问存储器的两类信息流。5. 计算机性能使用CPI、MIPS、FLOPS以及基准测试程序综合评价。6. 计算机系统是多层次结构逐层向上抽象屏蔽底层硬件细节。参考文献戴志涛,白中英.计算机组成原理第七版[M].北京:科学出版社.说明本文为本科课程作业仅对教材内容进行整理归纳引用内容均标注来源不做商业用途。