一、冯诺依曼体系

1. 信息的数字化表示

2. 存储程序的工作方式

3. 计算机的五大部件

二、计算机系统的组织

1. 计算机硬件系统

2. 计算机软件系统

3. 计算机系统的层次结构

三、计算机系统的性能指标

1. 基本字长/机器字长

2. 外频

3. 运算速度

4. 存储容量

一、冯诺依曼体系

1945年，冯诺依曼提出 EDVAC 方案。

冯诺依曼体系的三大核心思想：

计算机中采用二进制形式来表示信息；
采用存储程序的工作方式 —— 冯诺依曼体系最为核心的思想；
计算机硬件系统由五大部件组成：存储器、运算器、控制器、输入和输出设备。

下面将针对上述三大思想进行介绍。

1. 信息的数字化表示

在计算机中用数字代码表示各类信息
在物理机制上用数字信号表示数字代码

（1）在计算机中用数字代码表示各类信息

数字代码是指一组数字的集合，这里的数字代码通常指二进制数字代码。我们可以根据需要描述信息，用一组约定了含义的数字代码来表示它。

（2）在物理机制上用数字信号表示数字代码

计算机是一种复杂的电子线路，传递和处理的实际对象是电信号。

电信号分为两类：

模拟信号：是一种随时间连续变化的电信号，如电流信号、电压信号等。
数字信号：是一种在时间上或空间上断续变化的电信号，如电平信号和脉冲信号。

单个数字信号只取两种状态，如电平的高或低、脉冲的有或无，这样可以用两种状态分别表示数字代码 1 和 0 ，称为二值逻辑。

电平信号：

电平信号利用信号电平的高、低状态表示不同的代码，所以电平信号通常需要一段有效维持时间。

每个电平信号各占用一根信号线，因而这一组信号在空间上的分布是离散的。

在计算机中，常用电平信号表示并行传送的信息，如用若干信号线同时传输数据、地址或其它信息的编码。

脉冲信号：

与电平信号不同，脉冲信号的电平维持时间很短。

由于脉冲信号在时间上的分布是离散的，因此可以用一根信号线发出一串脉冲信号 —— 串行操作。

2. 存储程序的工作方式

① 根据求解问题事先编写程序。

② 事先将程序送入计算机。

用户用某种编程语言编写的程序称为源程序，它是由字符组成的，计算机不能识别。因此，需要通过编译器将源程序转换为二进制代码，保存在存储器中。这时的程序还不是指令代码，不能被计算机执行，需进一步被转换为机器指令序列。所以，事先编写的程序最终将变为指令序列和原始数据，并被保存在计算机中，提供给计算机执行。

③ 计算机自动、连续地执行程序。

Q：指令和数据都是以二进制代码的形式存放在存储器中的，那么计算机如何区分它们？又如何自动地从存储器中读取指令呢？

A：① 将指令和数据分开存放。由于在多数情况下，程序是顺序执行的，因此大多数指令需要依次相邻存放，而将数据放在该程序区中不同的区间。② 设置程序计数器 PC，用它存放当前指令所在的存储单元的地址。依靠 PC 的指示，计算机就能自动地从存储器中读取指令，再根据指令提供的操作数地址读取数据。

如果程序顺序执行，则在读取当前指令后将 PC 的内容加 n，指示下一条指令的地址。

如果程序要进行转移，则将转移目标地址送入 PC，以便按照转移地址读取后续指令。

3. 计算机的五大部件

计算机硬件系统一般以运算器或控制器为中心。

（1）CPU

CPU 是计算机硬件系统的核心部件，CPU 的主要功能是 读取并执行指令。

CPU 由运算器、寄存器组、控制器组成：

运算器：完成 算术运算（定点运算、浮点运算）和逻辑运算。
寄存器组：用来存放 数据信息和控制信息。
控制器：提供整个系统工作所需的各种 控制信号 —— 微命令。

三者通过 CPU 内部的总线相互交换信息。

定点的点指的是小数点的点；计算机中没有用硬件实现小数点的存放。

从主存中取操作数，把操作数送入寄存器中，然后再进行使用。

最小到不可再分割的控制信号 —— 微命令。

（2）存储器

存储器用来存储信息，包括程序、数据、文档等。

存储器主要分为 缓存、主存和外存 三级存储体系。

主存：用来存放 CPU 需要使用的程序和数据。

主存的每个存储单元都有固定的地址，CPU 可以按地址直接访问它们。

主机 = CPU + 主存

外存：用来存放大量的需要联机保存但 CPU 暂不使用的程序和数据。

CPU 并不直接按地址访问它们，而是按文件名将它们从外存调用主存。

Cache 高速缓存：用来存放 CPU 当前正在使用的程序和数据。

Cache 从主存中加载数据的策略

Cache 的地址与主存某一区间的地址相映射

（3）输入和输出设备

键鼠、显示器、打印机 ...

（4）总线和接口

a. 总线

是一组能为多个部件分时共享的信息传输线，分为三大类：

地址总线
数据总线
控制总线

统称为 系统总线。

注意：任意时刻只能允许一个部件或设备通过总线发送信息，否则会引起信息的碰撞；但允许多个部件同时从总线上接收信息。（当然不同类别的总线之间是互不影响的）

b. 接口

计算机各大部件的互连结构

（1）单总线结构

（2）以CPU为中心的双总线结构

（3）以存储器为中心的双总线结构

（4）多总线结构

二、计算机系统的组织

计算机系统由硬件系统和软件系统组成。

1. 计算机硬件系统

前面已进行介绍。

2. 计算机软件系统

（判断题/选择题）C是编译方式；Python是解释方式；Java的既是编译方式也是解释方式。

3. 计算机系统的层次结构

三、计算机系统的性能指标

1. 基本字长/机器字长

是指处理器中参加一次 定点运算 的操作数的位数。

影响着计算的精度、指令的功能、硬件的成本
反映了CPU寄存器、运算部件和内部数据总线的位数

Q：“反映了 CPU 寄存器、运算部件和内部数据总线的位数”？

A：在一次运算过程中，操作数和运算结果通过数据总线，在寄存器和运算部件之间传输。

2. 外频

外频、外部频率、基频、系统时钟频率，是指主板上的振荡器输出的时钟频率。

是计算机中一切硬件部件工作所依据的基准时钟信号，它经过倍频系数放大后用作计算机各部件的工作频率。

3. 运算速度

（1）CPU 主频 = 外频 × 倍频系数

CPU 的主频（f）是指 CPU 内核的工作频率。

（2）IPS（Instructions Per Second）

CPU 平均每秒执行指令的数量。

（3）CPI（Clock cycles Per Instructions）

CPI = 程序的时钟周期总数 / 程序的指令总数

CPU 执行程序时，平均每条指令所需的时钟周期数。

（4）FLOPS（Floating-point Operations Per Second）

CPU 每秒执行浮点运算的次数。

4. 存储容量

（1）主存容量

主存容量 = 可编址的存储单元个数 × 存储单元的位数（宽度）

主存的最大可编址单元数（即编址空间）是由地址线的位数决定的

存储单元的位数/宽度 —— 主存的编址单位

（2）外存容量

操作系统一般通过虚拟存储技术管理外存，因此外存的有效容量取决于存储器自身，而与地址总线的位数无直接关系。

外存容量常表示为字节数，如 GB 和 TB 。

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3. 运算速度

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