一、计算机系统简介

1. 计算机软硬件概念

计算机系统：

硬件：计算机的实体，如主机、外设等。
软件：由具有各类特殊功能的信息（程序）组成。

软件：

系统软件：用来管理整个计算机系统。
（语言处理程序、操作系统、服务型程序、数据库管理系统、网络软件）。
应用软件：按任务需要编制成的各种程序。

2. 计算机系统的层次结构

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。
如：有无乘法指令。
计算机组成： 实现计算机体系结构所体现的属性。
如：如何实现乘法指令。

二、计算机的基本组成

1. 冯·诺依曼计算机的特点

1. 计算机由运算器、存储器、控制器、输人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. 指令在在储器内按顺序存放。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，输人输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

运算器： 算术运算、逻辑运算；
储存器： 存放数据与程序；
控制器： 指挥程序的运行，语句的执行顺序；
输入设备： 将信息转换为机器能够识别的形式；
输出设备： 将结果转换为人们熟悉的形式；

2. 计算机硬件框图

2.1 以存储器为中心的计算机硬件框图

2.2 现代计算机硬件框图

主存储器可以直接与CPU交换信息；
辅助存存储器又称辅存，又称外存；
ALU: 算术逻辑单元，完成算术逻辑运算；
CU: 控制单元，用来解释存储器的指令，并发出各种操作命令来执行指令；

3. 计算机的工作步骤

3.1 上机前的准备

（1）建立数学模型
（2）确定计算方法
（3）编制解题程序

指令 = 操作码 + 地址码

实例：

3.2 计算机的解题过程

存储器基本组成：

1个字节（Byte）被定义为由 8位（bit）二进制组成；
MAR : 存储器地址寄存器，反应存储单元的个数；
MDR ： 存储器数据寄存器，反应存储字长；
假如MAR=4位，MDR=8位，那么存储单元个数为2^4=16，存储字长8；

运算器基本组成：

运算器最少包括3个寄存器（ACC-累加器，MQ-乘商寄存器，X-操作数寄存器）和一个算术逻辑单元（ALU）；

运算器的基本组成及操作过程：

控制器的基本组成：

控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制单元（CU）组成。

PC 用来存放当前将要执行的指令地址，它与主存的MAR之间有一条直接的通路，可自动加一形成下一条指令的地址。
IR 用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。分析指令：OP(IR)—>CU.
CU 用来分析当前指令所需要完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用来控制所有被控对象。

主机完成一条指令的过程：

三、计算机硬件的主要技术指标

1. 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。
字长越长，数的表示范围越大,精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。倘若CPU字长较短,又要运算位数较多的数据,那么需要经过两次或多次的运算才能完成，这样势必影响机器的运算速度。

2. 运算速度

3. 存储容量

储存容量是指存放二进制代码的总位数。
存储器的容量应该包括：主存容量和辅存容量。
MAR的位数反映了存储单元的个数,MDR的位数反映了存储字长。

例如:
MAR为16位，,根据2¹⁶ =65 536，表示此存储体内有65 536个存储单元(即64 K个存储字，1 K=1 024=2¹⁰);而MDR为32位,表示存储容量为2¹⁶x32=2²¹=2 M位(1 M=2²⁰)。

现代计算机中常以字节数来描述容量的大小,因一个字节已被定义为8位二进制代码，故用字节数便能反映主存容量。例如，上述存储容量为2 M位，也可用2¹⁸字节表示，记作2¹⁸B或256 KB(B用来表示一个字节)。

课后练习：

1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？
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。

2. 如何理解计算机的层次结构？
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. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？
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，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。

4. 解释下列概念：
主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。

CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；

主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。

存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。

存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。

存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。

存储字长：一个存储单元所存储的二进制代码的总位数。

存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。

机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

指令字长：机器指令中二进制代码的总位数。

5.解释下列英文缩写的中文含义：

CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。