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

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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。

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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

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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；
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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：
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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；

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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：
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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：

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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

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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。
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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)。

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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。
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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。