计算机组成与体系结构:计算机系统概论

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计算机组成与体系结构:计算机系统概论 [2026/03/02 13:15] – [1.1.2 计算机系统的层次结构] 张叶安计算机组成与体系结构:计算机系统概论 [2026/03/02 13:28] (当前版本) – [1.7 本章重点总结] 张叶安
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 这一层是计算机的最底层，由门电路、触发器等数字逻辑元件组成。这些元件实现基本的逻辑运算（与、或、非）和存储功能。数字逻辑层的设计直接影响计算机的速度、功耗和成本。 这一层是计算机的最底层，由门电路、触发器等数字逻辑元件组成。这些元件实现基本的逻辑运算（与、或、非）和存储功能。数字逻辑层的设计直接影响计算机的速度、功耗和成本。
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 **第1层：微体系结构层** **第1层：微体系结构层**
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 也称为微程序层或硬件控制层。这一层实现指令的具体执行过程，包括取指、译码、执行、写回等操作。现代计算机普遍采用微程序控制技术，将复杂指令分解为一系列微操作。 也称为微程序层或硬件控制层。这一层实现指令的具体执行过程，包括取指、译码、执行、写回等操作。现代计算机普遍采用微程序控制技术，将复杂指令分解为一系列微操作。
  
 **第2层：指令系统层** **第2层：指令系统层**
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 这是机器语言层，是硬件和软件的分界面。指令系统定义了计算机能够执行的全部指令集合，包括数据传送指令、算术逻辑运算指令、控制转移指令、输入输出指令等。程序员可以通过机器语言直接控制计算机硬件。 这是机器语言层，是硬件和软件的分界面。指令系统定义了计算机能够执行的全部指令集合，包括数据传送指令、算术逻辑运算指令、控制转移指令、输入输出指令等。程序员可以通过机器语言直接控制计算机硬件。
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 **第3层：操作系统层** **第3层：操作系统层**
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 操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，负责管理计算机的硬件资源和软件资源，提供用户接口，支持多任务并发执行。主要功能包括进程管理、存储管理、文件管理、设备管理等。 操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，负责管理计算机的硬件资源和软件资源，提供用户接口，支持多任务并发执行。主要功能包括进程管理、存储管理、文件管理、设备管理等。
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 **第4层：汇编语言层** **第4层：汇编语言层**
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 汇编语言是机器语言的符号化表示，使用助记符代替二进制操作码，使用符号地址代替绝对地址。汇编语言程序需要通过汇编程序翻译成机器语言才能执行。 汇编语言是机器语言的符号化表示，使用助记符代替二进制操作码，使用符号地址代替绝对地址。汇编语言程序需要通过汇编程序翻译成机器语言才能执行。
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 **第5层：高级语言层** **第5层：高级语言层**
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 高级语言接近人类自然语言和数学语言，易于学习和使用。常见的高级语言有C、C++、Java、Python等。高级语言程序需要通过编译程序或解释程序转换成机器语言。 高级语言接近人类自然语言和数学语言，易于学习和使用。常见的高级语言有C、C++、Java、Python等。高级语言程序需要通过编译程序或解释程序转换成机器语言。
  
 **第6层：应用层** **第6层：应用层**
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 这是最上层，包括各种应用软件，如办公软件、图形图像软件、数据库软件、网络软件等。用户通过应用软件与计算机系统交互，完成各种实际任务。 这是最上层，包括各种应用软件，如办公软件、图形图像软件、数据库软件、网络软件等。用户通过应用软件与计算机系统交互，完成各种实际任务。
  
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 **（1）计算机由五大部件组成** **（1）计算机由五大部件组成**
-- 运算器：执行算术运算和逻辑运算 +  - 运算器：执行算术运算和逻辑运算 
-- 控制器：控制计算机各部件协调工作 +  - 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 +  - 存储器：存储程序和数据 
-- 输入设备：将外部信息输入计算机 +  - 输入设备：将外部信息输入计算机 
-- 输出设备：将计算机处理结果输出+  - 输出设备：将计算机处理结果输出
  
 **（2）采用存储程序原理** **（2）采用存储程序原理**
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 **中央处理器（CPU）** **中央处理器（CPU）**
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 CPU是计算机的核心部件，包含运算器和控制器。现代CPU还集成了高速缓存（Cache）、浮点运算单元、内存管理单元等。CPU的主要性能指标包括主频、字长、核心数、缓存容量等。 CPU是计算机的核心部件，包含运算器和控制器。现代CPU还集成了高速缓存（Cache）、浮点运算单元、内存管理单元等。CPU的主要性能指标包括主频、字长、核心数、缓存容量等。
  
 **主存储器（内存）** **主存储器（内存）**
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 主存储器用于存放正在运行的程序和数据。目前主要采用半导体存储器，包括DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。内存容量和速度是影响计算机性能的重要因素。 主存储器用于存放正在运行的程序和数据。目前主要采用半导体存储器，包括DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。内存容量和速度是影响计算机性能的重要因素。
  
 **辅助存储器（外存）** **辅助存储器（外存）**
 +
 辅助存储器用于长期存储程序和数据，包括硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘、U盘等。辅助存储器容量大、价格低，但访问速度比内存慢。 辅助存储器用于长期存储程序和数据，包括硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘、U盘等。辅助存储器容量大、价格低，但访问速度比内存慢。
  
 **输入设备** **输入设备**
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 常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、麦克风等。输入设备负责将外部信息转换为计算机能够识别的数字信号。 常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、麦克风等。输入设备负责将外部信息转换为计算机能够识别的数字信号。
  
 **输出设备** **输出设备**
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 常用的输出设备有显示器、打印机、音箱等。输出设备负责将计算机处理结果转换为人类可识别的形式。 常用的输出设备有显示器、打印机、音箱等。输出设备负责将计算机处理结果转换为人类可识别的形式。
  
 **系统总线** **系统总线**
 +
 系统总线是连接计算机各部件的公共通道，包括数据总线、地址总线和控制总线。总线的带宽直接影响系统的数据传输能力。 系统总线是连接计算机各部件的公共通道，包括数据总线、地址总线和控制总线。总线的带宽直接影响系统的数据传输能力。
  
 **主板** **主板**
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 主板是计算机的基础平台，上面安装了CPU插槽、内存插槽、扩展插槽、芯片组等。主板的设计决定了计算机的扩展能力和兼容性。 主板是计算机的基础平台，上面安装了CPU插槽、内存插槽、扩展插槽、芯片组等。主板的设计决定了计算机的扩展能力和兼容性。
  
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 **字长** **字长**
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 字长是指CPU一次能够处理的二进制数据的位数。字长越长，计算精度越高，处理能力越强。常见的字长有8位、16位、32位、64位等。现代计算机普遍采用64位字长。 字长是指CPU一次能够处理的二进制数据的位数。字长越长，计算精度越高，处理能力越强。常见的字长有8位、16位、32位、64位等。现代计算机普遍采用64位字长。
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 **主频** **主频**
 +
 主频是指CPU的时钟频率，单位是赫兹（Hz）。主频越高，CPU的运算速度越快。但主频并不是衡量性能的唯一指标，还与CPU的微架构、缓存大小等因素有关。 主频是指CPU的时钟频率，单位是赫兹（Hz）。主频越高，CPU的运算速度越快。但主频并不是衡量性能的唯一指标，还与CPU的微架构、缓存大小等因素有关。
  
 **运算速度** **运算速度**
 +
 通常用每秒执行的指令数（IPS）或每秒浮点运算次数（FLOPS）来衡量。常见的单位有MIPS（百万条指令每秒）、MFLOPS（百万次浮点运算每秒）、GFLOPS、TFLOPS等。 通常用每秒执行的指令数（IPS）或每秒浮点运算次数（FLOPS）来衡量。常见的单位有MIPS（百万条指令每秒）、MFLOPS（百万次浮点运算每秒）、GFLOPS、TFLOPS等。
  
 **存储容量** **存储容量**
 +
 包括内存容量和外存容量。内存容量影响计算机能够同时运行程序的数量和规模，外存容量决定能够存储数据的多少。 包括内存容量和外存容量。内存容量影响计算机能够同时运行程序的数量和规模，外存容量决定能够存储数据的多少。
  
 **存取周期** **存取周期**
 +
 存储器完成一次读或写操作所需的时间。存取周期越短，存储器速度越快。 存储器完成一次读或写操作所需的时间。存取周期越短，存储器速度越快。
  
 **数据传输率** **数据传输率**
 +
 单位时间内传输的数据量，通常用字节/秒（B/s）或位/秒（bps）表示。数据传输率受总线宽度、总线频率等因素影响。 单位时间内传输的数据量，通常用字节/秒（B/s）或位/秒（bps）表示。数据传输率受总线宽度、总线频率等因素影响。
  
 **响应时间** **响应时间**
 +
 从用户提交请求到系统给出响应所需的时间。响应时间越短，系统的交互性能越好。 从用户提交请求到系统给出响应所需的时间。响应时间越短，系统的交互性能越好。
  
 **吞吐量** **吞吐量**
 +
 单位时间内系统能够处理的工作量。吞吐量越高，系统的处理能力越强。 单位时间内系统能够处理的工作量。吞吐量越高，系统的处理能力越强。
  
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 **操作系统（Operating System）** **操作系统（Operating System）**
 +
 操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，是用户和计算机硬件之间的接口。主要功能包括： 操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，是用户和计算机硬件之间的接口。主要功能包括：
-- 进程管理：负责进程的创建、调度、同步和通信 +  
-- 存储管理：负责内存的分配、回收和保护 +  - 进程管理：负责进程的创建、调度、同步和通信 
-- 文件管理：负责文件的存储、检索、共享和保护 +  - 存储管理：负责内存的分配、回收和保护 
-- 设备管理：负责设备的分配、控制和数据传输 +  - 文件管理：负责文件的存储、检索、共享和保护 
-- 用户接口：提供命令行接口和图形用户接口+  - 设备管理：负责设备的分配、控制和数据传输 
 +  - 用户接口：提供命令行接口和图形用户接口
  
 常见的操作系统有Windows、Linux、macOS、Android、iOS等。 常见的操作系统有Windows、Linux、macOS、Android、iOS等。
  
 **语言处理程序** **语言处理程序**
 +
 将高级语言或汇编语言编写的程序翻译成机器语言程序的程序。包括： 将高级语言或汇编语言编写的程序翻译成机器语言程序的程序。包括：
-- 汇编程序：将汇编语言程序翻译成机器语言程序 +  - 汇编程序：将汇编语言程序翻译成机器语言程序 
-- 编译程序：将高级语言程序整体翻译成机器语言程序 +  - 编译程序：将高级语言程序整体翻译成机器语言程序 
-- 解释程序：逐条解释执行高级语言语句+  - 解释程序：逐条解释执行高级语言语句
  
 **数据库管理系统（DBMS）** **数据库管理系统（DBMS）**
 +
 用于管理数据库的软件系统，提供数据的定义、操纵、控制和维护功能。常见的DBMS有MySQL、Oracle、SQL Server、PostgreSQL等。 用于管理数据库的软件系统，提供数据的定义、操纵、控制和维护功能。常见的DBMS有MySQL、Oracle、SQL Server、PostgreSQL等。
  
 **系统实用程序** **系统实用程序**
 +
 用于系统维护和管理工具程序，如磁盘清理工具、磁盘碎片整理工具、系统监控工具、杀毒软件等。 用于系统维护和管理工具程序，如磁盘清理工具、磁盘碎片整理工具、系统监控工具、杀毒软件等。
  
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 **取指令阶段** **取指令阶段**
 +
 根据程序计数器（PC）中的地址，从内存中读取下一条指令到指令寄存器（IR），同时PC自动增量指向下一条指令。 根据程序计数器（PC）中的地址，从内存中读取下一条指令到指令寄存器（IR），同时PC自动增量指向下一条指令。
  
 **分析指令阶段** **分析指令阶段**
 +
 对指令寄存器中的指令进行译码，确定该指令要完成的操作和操作数的地址。 对指令寄存器中的指令进行译码，确定该指令要完成的操作和操作数的地址。
 +
  
 **执行指令阶段** **执行指令阶段**
 +
 根据译码结果，发出控制信号，控制运算器、存储器、输入输出设备等完成指令规定的操作。 根据译码结果，发出控制信号，控制运算器、存储器、输入输出设备等完成指令规定的操作。
  
 **写回阶段** **写回阶段**
 +
 将运算结果写回寄存器或存储器。 将运算结果写回寄存器或存储器。
  
行 214: 行 254:
  
 **程序装入** **程序装入**
 +
 操作系统将程序从外存加载到内存，建立进程控制块，分配必要的资源。 操作系统将程序从外存加载到内存，建立进程控制块，分配必要的资源。
  
 **程序执行** **程序执行**
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 CPU从程序的入口地址开始，按顺序取指令、执行指令。遇到转移指令时，改变程序的执行顺序；遇到输入输出指令时，调用相应的设备驱动程序。 CPU从程序的入口地址开始，按顺序取指令、执行指令。遇到转移指令时，改变程序的执行顺序；遇到输入输出指令时，调用相应的设备驱动程序。
  
 **中断处理** **中断处理**
 +
 当外设完成数据传输或发生异常情况时，向CPU发出中断请求。CPU响应中断后，保存当前执行状态，转去执行中断服务程序，处理完后再返回原程序继续执行。 当外设完成数据传输或发生异常情况时，向CPU发出中断请求。CPU响应中断后，保存当前执行状态，转去执行中断服务程序，处理完后再返回原程序继续执行。
  
 **程序结束** **程序结束**
 +
 程序执行完毕或遇到错误时，操作系统回收资源，撤销进程。 程序执行完毕或遇到错误时，操作系统回收资源，撤销进程。
  
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 **通用计算机** **通用计算机**
 +
 适用于各种应用领域，如个人计算机、服务器等。特点是软件丰富、通用性强、性价比高。 适用于各种应用领域，如个人计算机、服务器等。特点是软件丰富、通用性强、性价比高。
  
 **专用计算机** **专用计算机**
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 针对特定应用设计，如嵌入式系统、工业控制计算机等。特点是专用性强、实时性好、可靠性高。 针对特定应用设计，如嵌入式系统、工业控制计算机等。特点是专用性强、实时性好、可靠性高。
  
行 238: 行 284:
  
 **超级计算机** **超级计算机**
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 具有极强的计算能力，用于科学计算、天气预报、核武器模拟等领域。如中国的"神威·太湖之光"、美国的"顶点"（Summit）等。 具有极强的计算能力，用于科学计算、天气预报、核武器模拟等领域。如中国的"神威·太湖之光"、美国的"顶点"（Summit）等。
  
 **大型机** **大型机**
 +
 具有高可靠性、高可用性、高服务性，用于银行、电信等关键业务领域。如IBM z系列。 具有高可靠性、高可用性、高服务性，用于银行、电信等关键业务领域。如IBM z系列。
  
 **小型机** **小型机**
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 规模介于大型机和微型机之间，用于部门级应用。如IBM AS/400、HP 9000等。 规模介于大型机和微型机之间，用于部门级应用。如IBM AS/400、HP 9000等。
  
 **工作站** **工作站**
 +
 高性能的单用户计算机，用于工程设计、图形处理等专业领域。 高性能的单用户计算机，用于工程设计、图形处理等专业领域。
  
 **微型计算机** **微型计算机**
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 以微处理器为核心，包括台式机、笔记本、平板电脑等。是目前应用最广泛的计算机类型。 以微处理器为核心，包括台式机、笔记本、平板电脑等。是目前应用最广泛的计算机类型。
  
 **嵌入式计算机** **嵌入式计算机**
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 嵌入到其他设备中的专用计算机，如智能手机、智能家电、汽车电子等。 嵌入到其他设备中的专用计算机，如智能手机、智能家电、汽车电子等。
  
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 **数字计算机** **数字计算机**
 +
 处理离散的数字量，精度高、通用性强。现代计算机大多是数字计算机。 处理离散的数字量，精度高、通用性强。现代计算机大多是数字计算机。
  
 **模拟计算机** **模拟计算机**
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 处理连续的物理量，如电压、电流等。运算速度快但精度较低，现已很少使用。 处理连续的物理量，如电压、电流等。运算速度快但精度较低，现已很少使用。
  
 **混合计算机** **混合计算机**
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 结合数字计算机和模拟计算机的优点，用于特定应用领域。 结合数字计算机和模拟计算机的优点，用于特定应用领域。
  
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 **解答**：冯·诺依曼体系结构的主要特点有： **解答**：冯·诺依曼体系结构的主要特点有：
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 （1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成； （1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成；
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 （2）采用存储程序原理，程序和数据存放在同一存储器中； （2）采用存储程序原理，程序和数据存放在同一存储器中；
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 （3）指令和数据采用二进制表示； （3）指令和数据采用二进制表示；
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 （4）指令由操作码和地址码组成； （4）指令由操作码和地址码组成；
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 （5）以运算器为中心（早期）。 （5）以运算器为中心（早期）。
  
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 **解答**： **解答**：
-时钟周期 = 1 / 主频 = 1 / (3 × 10^9) 秒 + 
-每条指令执行时间 = 4 × 时钟周期 = 4 / (3 × 10^9) 秒 +$时钟周期 = 1 / 主频 = 1 / (3 × 10^9) 秒$ 
-运算速度 = 1 / 每条指令执行时间 = (3 × 10^9) / 4 = 750 × 10^6 指令/秒 = 750 MIPS+ 
 +$每条指令执行时间 = 4 × 时钟周期 = 4 / (3 × 10^9) 秒$ 
 + 
 +$运算速度 = 1 / 每条指令执行时间 = (3 × 10^9) / 4 = 750 × 10^6 指令/秒 = 750 MIPS$
  
 **例题3**：说明计算机系统层次结构中各层的主要功能。 **例题3**：说明计算机系统层次结构中各层的主要功能。
  
 **解答**： **解答**：
 +
 第0层数字逻辑层：实现基本逻辑运算和存储功能； 第0层数字逻辑层：实现基本逻辑运算和存储功能；
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 +
 第1层微体系结构层：实现指令的具体执行过程； 第1层微体系结构层：实现指令的具体执行过程；
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 第2层指令系统层：定义计算机的指令集合，是软硬件接口； 第2层指令系统层：定义计算机的指令集合，是软硬件接口；
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 第3层操作系统层：管理软硬件资源，提供用户接口； 第3层操作系统层：管理软硬件资源，提供用户接口；
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 第4层汇编语言层：机器语言的符号化表示； 第4层汇编语言层：机器语言的符号化表示；
 +
 第5层高级语言层：接近自然语言的程序设计语言； 第5层高级语言层：接近自然语言的程序设计语言；
 +
 第6层应用层：面向用户的各种应用软件。 第6层应用层：面向用户的各种应用软件。
  
行 300: 行 371:
  
 **核心概念：** **核心概念：**
-- 冯·诺依曼体系结构的五大部件和存储程序原理 + 
-- 计算机系统的层次结构 +  - 冯·诺依曼体系结构的五大部件和存储程序原理 
-- 硬件系统的主要组成部分 +  - 计算机系统的层次结构 
-- 软件系统的分类+  - 硬件系统的主要组成部分 
 +  - 软件系统的分类
  
 **关键知识点：** **关键知识点：**
-1. 计算机发展的四个阶段及其特点 + 
-2. CPU、存储器、输入输出设备的功能 +  - 计算机发展的四个阶段及其特点 
-3. 字长、主频、运算速度、存储容量等性能指标 +  - CPU、存储器、输入输出设备的功能 
-4. 系统软件与应用软件的区别 +  - 字长、主频、运算速度、存储容量等性能指标 
-5. 指令的取指、译码、执行过程+  - 系统软件与应用软件的区别 
 +  - 指令的取指、译码、执行过程
  
 **学习要点：** **学习要点：**
-- 理解冯·诺依曼体系结构的核心思想及其对现代计算机的影响 +  - 理解冯·诺依曼体系结构的核心思想及其对现代计算机的影响 
-- 掌握计算机各组成部分的功能和相互关系 +  - 掌握计算机各组成部分的功能和相互关系 
-- 了解计算机系统的层次结构及其意义 +  - 了解计算机系统的层次结构及其意义 
-- 熟悉计算机的主要性能指标及其含义+  - 熟悉计算机的主要性能指标及其含义
  
 **思考题：** **思考题：**
-1. 为什么说存储程序原理是冯·诺依曼体系结构最核心的思想？ + 
-2. 现代计算机与早期冯·诺依曼计算机相比有哪些改进？ +  - 为什么说存储程序原理是冯·诺依曼体系结构最核心的思想？ 
-3. 计算机系统的层次化设计有什么优点？ +  - 现代计算机与早期冯·诺依曼计算机相比有哪些改进？ 
-4. 如何综合评价一台计算机的性能？+  - 计算机系统的层次化设计有什么优点？ 
 +  - 如何综合评价一台计算机的性能？
  
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