# 1.2 计算机系统层次结构

## 一、计算机系统的组成

### 1.1 计算机系统的层次

**计算机系统 = 硬件系统 + 软件系统**

```
+------------------+
|   应用软件       |  用户直接使用
+------------------+
|   系统软件       |  操作系统、编译器
+------------------+
|   指令集体系结构  |  机器语言
+------------------+
|   微体系结构     |  数据通路、控制器
+------------------+
|   数字逻辑       |  门电路、触发器
+------------------+
|   器件层         |  晶体管、集成电路
+------------------+
```

### 1.2 硬件系统

**硬件（Hardware）**：
- 计算机的物理设备
- 看得见摸得着的部分

**硬件组成**：
- **运算器**：执行算术和逻辑运算
- **控制器**：控制计算机各部件协调工作
- **存储器**：存储程序和数据
- **输入设备**：将信息输入计算机
- **输出设备**：将结果输出

**冯·诺依曼结构**：
- 运算器 + 控制器 = CPU
- CPU + 存储器 + 输入/输出设备 = 计算机硬件

### 1.3 软件系统

**软件（Software）**：
- 计算机的程序和数据
- 看不见摸不着，但可执行

**软件分类**：
- **系统软件**：
  - 操作系统
  - 编译程序
  - 数据库管理系统
  - 设备驱动程序

- **应用软件**：
  - 办公软件
  - 浏览器
  - 游戏
  - 各种工具软件

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## 二、冯·诺依曼计算机

### 2.1 冯·诺依曼结构的特点

**存储程序概念**：
- 程序和数据以二进制形式存储在存储器中
- 计算机自动从存储器中取出指令并执行

**五大部件**：
1. **运算器（ALU）**：执行算术和逻辑运算
2. **控制器（CU）**：控制指令的执行
3. **存储器（Memory）**：存储程序和数据
4. **输入设备（Input）**：输入程序和数据
5. **输出设备（Output）**：输出结果

**特点**：
- 指令和数据同等对待
- 指令按顺序执行
- 以运算器为中心（早期）

### 2.2 冯·诺依曼结构的组成

```
        +-----------+
        |   输入设备 |
        +-----+-----+
              |
              v
+-----+   +---+---+   +-----+
| 存储器 |<--| 运算器 |<-->| 控制器 |
+-----+   +---+---+   +-----+
              |
              v
        +-----+-----+
        |   输出设备 |
        +-----------+
```

### 2.3 现代计算机结构

**以存储器为中心**：
```
        +-----------+
        |   输入设备 |
        +-----+-----+
              |
              v
+-----+   +---+---+   +-----+
| 控制器 |-->| 存储器 |<--| 运算器 |
+-----+   +---+---+   +-----+
              ^
              |
        +-----+-----+
        |   输出设备 |
        +-----------+
```

**改进**：
- 以存储器为中心
- 减轻运算器负担
- 提高系统效率

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## 三、计算机硬件的基本组成

### 3.1 中央处理器（CPU）

**CPU = 运算器 + 控制器**

**功能**：
- 执行指令
- 控制数据流动
- 协调各部件工作

**组成**：
- **运算器（ALU）**：
  - 算术逻辑单元
  - 执行算术运算（加、减、乘、除）
  - 执行逻辑运算（与、或、非、异或）

- **控制器（CU）**：
  - 程序计数器（PC）
  - 指令寄存器（IR）
  - 指令译码器
  - 时序电路
  - 控制信号产生电路

- **寄存器组**：
  - 通用寄存器
  - 专用寄存器
  - 暂存数据

### 3.2 存储器

**功能**：
- 存储程序和数据
- 按地址访问

**分类**：
- **主存储器（内存）**：
  - RAM（随机存取存储器）
  - ROM（只读存储器）
  - 速度快、容量小、易失性

- **辅助存储器（外存）**：
  - 硬盘、SSD
  - 光盘
  - 速度慢、容量大、非易失性

- **高速缓冲存储器（Cache）**：
  - 位于CPU和主存之间
  - 缓解速度差异

### 3.3 输入/输出设备

**输入设备**：
- 键盘
- 鼠标
- 扫描仪
- 摄像头
- 麦克风

**输出设备**：
- 显示器
- 打印机
- 音箱

**输入/输出接口**：
- I/O控制器
- 数据缓冲
- 格式转换

### 3.4 总线

**功能**：
- 连接各部件
- 传输数据、地址、控制信号

**分类**：
- **数据总线**：传输数据
- **地址总线**：传输地址
- **控制总线**：传输控制信号

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## 四、计算机软件系统

### 4.1 系统软件

**操作系统（OS）**：
- 管理计算机硬件和软件资源
- 提供用户接口
- 如：Windows、Linux、macOS

**语言处理程序**：
- **编译程序**：将高级语言编译成机器语言
- **解释程序**：逐行解释执行
- **汇编程序**：将汇编语言翻译成机器语言

**数据库管理系统（DBMS）**：
- 管理数据库
- 如：MySQL、Oracle、SQL Server

**设备驱动程序**：
- 控制硬件设备
- 提供统一接口

### 4.2 应用软件

**办公软件**：
- Word、Excel、PowerPoint

**浏览器**：
- Chrome、Firefox、Edge

**多媒体软件**：
- 播放器、编辑器

**游戏软件**

**各种工具软件**

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## 五、计算机的工作过程

### 5.1 基本工作过程

**程序执行的基本步骤**：

1. **取指令（Fetch）**：
   - 根据PC中的地址，从存储器取出指令
   - PC自动增量，指向下一条指令

2. **译码（Decode）**：
   - 指令译码器对指令进行译码
   - 确定指令的操作类型和操作数

3. **执行（Execute）**：
   - 根据译码结果，执行相应操作
   - 可能是运算、数据传输、控制转移等

4. **访存（Memory Access）**：
   - 如果需要，访问存储器读写数据

5. **写回（Write Back）**：
   - 将运算结果写回寄存器或存储器

### 5.2 指令周期

**指令周期**：
- 取出并执行一条指令所需的全部时间

**机器周期（CPU周期）**：
- 完成一个基本操作所需的时间
- 通常等于一个时钟周期或多个时钟周期

**时钟周期**：
- CPU操作的最基本时间单位
- 由时钟频率决定

**关系**：
```
指令周期 = n × 机器周期
机器周期 = m × 时钟周期
```

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## 六、计算机系统的层次结构

### 6.1 层次结构的概念

**层次结构**：
- 将计算机系统划分为多个层次
- 每一层建立在下一层的基础上
- 每一层为上一层提供服务
- 隐藏下层细节

### 6.2 计算机系统的层次

**第5级：高级语言层**
- 使用高级语言编程
- 如：C、C++、Java、Python
- 可移植性好

**第4级：汇编语言层**
- 使用汇编语言编程
- 与机器语言一一对应
- 可移植性差

**第3级：操作系统层**
- 提供系统调用接口
- 管理资源
- 提供虚拟机器

**第2级：指令集体系结构层（ISA）**
- 机器语言
- 软硬件接口
- 定义指令格式和功能

**第1级：微体系结构层**
- 数据通路
- 控制器
- 实现ISA

**第0级：数字逻辑层**
- 门电路
- 触发器
- 寄存器

### 6.3 层次结构的意义

**对程序员**：
- 提供抽象的编程环境
- 隐藏底层细节

**对硬件设计者**：
- 明确软硬件接口
- 便于模块化设计

**对系统设计者**：
- 分层设计，降低复杂度
- 便于维护和升级

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## 七、考研重点

1. **计算机系统的组成**：
   - 硬件系统
   - 软件系统

2. **冯·诺依曼计算机**：
   - 存储程序概念
   - 五大部件
   - 特点
   - 现代计算机结构的改进

3. **计算机硬件的基本组成**：
   - CPU（运算器、控制器、寄存器）
   - 存储器
   - 输入/输出设备
   - 总线

4. **计算机软件系统**：
   - 系统软件
   - 应用软件

5. **计算机的工作过程**：
   - 取指令、译码、执行、访存、写回
   - 指令周期、机器周期、时钟周期

6. **计算机系统的层次结构**：
   - 层次结构的概念
   - 各层的特点
   - 层次结构的意义

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*下一节：1.3 计算机性能指标*