一、計算機系統簡介

1. 計算機軟硬件概念

計算機系統：

硬件：計算機的實體，如主機、外設等。
軟件：由具有各類特殊功能的信息（程序）組成。

軟件：

系統軟件：用來管理整個計算機系統。
（語言處理程序、操作系統、服務型程序、數據庫管理系統、網絡軟件）。
應用軟件：按任務需要編製成的各種程序。

2. 計算機系統的層次結構

3. 計算機體系結構和計算機組成

計算機體系結構： 程序員所見到的計算機系統的屬性概念性的結構與功能特性。
如：有無乘法指令。
計算機組成： 實現計算機體系結構所體現的屬性。
如：如何實現乘法指令。

二、計算機的基本組成

1. 馮·諾依曼計算機的特點

1. 計算機由運算器、存儲器、控制器、輸人設備和輸出設備五大部件組成。
2. 指令和數據以同等地位存放於存儲器內，並可按地址尋訪。
3. 指令和數據均用二進制數表示。
4. 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表示操作數在存儲器中的位置。
5. 指令在在儲器內按順序存放。通常，指令是順序執行的,在特定條件下,可根據運算結果或根據設定的條件改變執行順序。
6. 機器以運算器爲中心，輸人輸出設備與存儲器間的數據傳送通過運算器完成。

運算器： 算術運算、邏輯運算；
儲存器： 存放數據與程序；
控制器： 指揮程序的運行，語句的執行順序；
輸入設備： 將信息轉換爲機器能夠識別的形式；
輸出設備： 將結果轉換爲人們熟悉的形式；

2. 計算機硬件框圖

2.1 以存儲器爲中心的計算機硬件框圖

2.2 現代計算機硬件框圖

主存儲器可以直接與CPU交換信息；
輔助存存儲器又稱輔存，又稱外存；
ALU: 算術邏輯單元，完成算術邏輯運算；
CU: 控制單元，用來解釋存儲器的指令，併發出各種操作命令來執行指令；

3. 計算機的工作步驟

3.1 上機前的準備

（1）建立數學模型
（2）確定計算方法
（3）編制解題程序

指令 = 操作碼 + 地址碼

實例：

3.2 計算機的解題過程

存儲器基本組成：

1個字節（Byte）被定義爲由 8位（bit）二進制組成；
MAR : 存儲器地址寄存器，反應存儲單元的個數；
MDR ： 存儲器數據寄存器，反應存儲字長；
假如MAR=4位，MDR=8位，那麼存儲單元個數爲2^4=16，存儲字長8；

運算器基本組成：

運算器最少包括3個寄存器（ACC-累加器，MQ-乘商寄存器，X-操作數寄存器）和一個算術邏輯單元（ALU）；

運算器的基本組成及操作過程：

控制器的基本組成：

控制器由程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、控制單元（CU）組成。

PC 用來存放當前將要執行的指令地址，它與主存的MAR之間有一條直接的通路，可自動加一形成下一條指令的地址。
IR 用來存放當前的指令，IR的內容來自主存的MDR。分析指令：OP(IR)—>CU.
CU 用來分析當前指令所需要完成的操作，併發出各種微操作命令序列，用來控制所有被控對象。

主機完成一條指令的過程：

三、計算機硬件的主要技術指標

1. 機器字長

機器字長是指CPU一次能處理數據的位數，通常與CPU的寄存器位數有關。
字長越長，數的表示範圍越大,精度也越高。機器的字長也會影響機器的運算速度。倘若CPU字長較短,又要運算位數較多的數據,那麼需要經過兩次或多次的運算才能完成，這樣勢必影響機器的運算速度。

2. 運算速度

3. 存儲容量

儲存容量是指存放二進制代碼的總位數。
存儲器的容量應該包括：主存容量和輔存容量。
MAR的位數反映了存儲單元的個數,MDR的位數反映了存儲字長。

例如:
MAR爲16位，,根據2¹⁶ =65 536，表示此存儲體內有65 536個存儲單元(即64 K個存儲字，1 K=1 024=2¹⁰);而MDR爲32位,表示存儲容量爲2¹⁶x32=2²¹=2 M位(1 M=2²⁰)。

現代計算機中常以字節數來描述容量的大小,因一個字節已被定義爲8位二進制代碼，故用字節數便能反映主存容量。例如，上述存儲容量爲2 M位，也可用2¹⁸字節表示，記作2¹⁸B或256 KB(B用來表示一個字節)。

課後練習：

1. 什麼是計算機系統、計算機硬件和計算機軟件？
計算機系統：由計算機硬件系統和軟件系統組成的綜合體。
計算機硬件：指計算機中的電子線路和物理裝置。
計算機軟件：計算機運行所需的程序及相關資料。

2. 如何理解計算機的層次結構？
計算機硬件、系統軟件和應用軟件構成了計算機系統的三個層次結構。
（1）硬件系統是最內層的，它是整個計算機系統的基礎和核心。
（2）系統軟件在硬件之外，爲用戶提供一個基本操作界面。
（3）應用軟件在最外層，爲用戶提供解決具體問題的應用系統界面。
通常將硬件系統之外的其餘層稱爲虛擬機。各層次之間關係密切，上層是下層的擴展，下層是上層的基礎，各層次的劃分不是絕對的。

3. 如何理解計算機組成和計算機體系結構？
計算機體系結構是指那些能夠被程序員所見到的計算機系統的屬性，如指令系統、數據類型、尋址技術組成及I/O機理等。計算機組成是指如何實現計算機體系結構所體現的屬性，包含對程序員透明的硬件細節，如組成計算機系統的各個功能部件的結構和功能，及相互連接方法等。

4. 解釋下列概念：
主機：是計算機硬件的主體部分，由CPU和主存儲器MM合成爲主機。

CPU：中央處理器，是計算機硬件的核心部件，由運算器和控制器組成；

主存：計算機中存放正在運行的程序和數據的存儲器，爲計算機的主要工作存儲器，可隨機存取；由存儲體、各種邏輯部件及控制電路組成。

存儲單元：可存放一個機器字並具有特定存儲地址的存儲單位。

存儲元件：存儲一位二進制信息的物理元件，是存儲器中最小的存儲單位，又叫存儲基元或存儲元，不能單獨存取。

存儲字：一個存儲單元所存二進制代碼的邏輯單位。

存儲字長：一個存儲單元所存儲的二進制代碼的總位數。

存儲容量：存儲器中可存二進制代碼的總量；（通常主、輔存容量分開描述）。

機器字長：指CPU一次能處理的二進制數據的位數，通常與CPU的寄存器位數有關。

指令字長：機器指令中二進制代碼的總位數。

5.解釋下列英文縮寫的中文含義：

CPU：Central Processing Unit，中央處理機（器），是計算機硬件的核心部件，主要由運算器和控制器組成。