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 13:24] – [1.4.1 指令的执行过程] 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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 **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**
 +
 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**
 +
 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。
  
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 **超级计算机** **超级计算机**
 +
 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**
 +
 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**
 +
 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**
 +
 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**
 +
 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**
 +
 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：
 +
 （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；
 +
 （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；
 +
 （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；
 +
 （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；
 +
 +
 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；
 +
 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；
 +
 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；
 +
 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。
  
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 **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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