计算机系统概论
1. 计算机系统的基本组成
计算机系统由 硬件系统 和 软件系统 两大部分协同工作：
-
硬件系统：
基于冯·诺依曼体系结构（存储程序原理），包含五大核心部件：- 运算器（ALU）：执行算术与逻辑运算。
- 控制器（CU）：解析指令并协调各部件工作（运算器+控制器=CPU）。
- 存储器：存储程序和数据，分为主存（如RAM/ROM）和辅存（如硬盘）。
- 输入设备（如键盘、鼠标）：将外部信息转换为二进制输入。
- 输出设备（如显示器、打印机）：将处理结果反馈给用户。
-
软件系统：
- 系统软件：操作系统、编译器、驱动程序等，直接管理硬件资源。
- 应用软件：面向用户需求的程序（如浏览器、办公软件）。
2. 计算机系统的层次结构
计算机系统从底层到高层可划分为多个抽象层次，每一层隐藏下层细节，提供更简洁的接口：
- 数字逻辑层：由门电路、触发器等基本电子元件构成。
- 微体系结构层：CPU内部结构（如数据通路、控制单元）。
- 指令系统层（ISA）：机器指令集，定义硬件与软件的交互规范。
- 操作系统层：管理硬件资源（CPU、内存、I/O），提供系统服务。
- 汇编语言层：通过汇编器将符号指令转换为机器码。
- 高级语言层：如C、Java等，通过编译器/解释器生成可执行程序。
- 应用层：用户直接使用的程序（如数据库、游戏）。
3. 计算机系统的工作原理
- 存储程序原理：
程序与数据均以二进制形式存储于存储器中，CPU按顺序逐条读取、解析并执行指令。 - 指令执行过程：
分为 取指→译码→执行→访存→写回 五个阶段，由控制器生成控制信号驱动各部件协作。 - 数据流与控制流：
- 数据流：信息在运算器、存储器、I/O设备间的流动路径。
- 控制流：控制器根据指令生成时序信号，协调各部件操作顺序。
4. 计算机系统的特点
- 二进制表示：所有信息（指令、数据）均以二进制编码处理。
- 存储程序控制：程序预先存入存储器，CPU自动执行。
- 五大部件协同：通过总线（数据总线、地址总线、控制总线）互联通信。
- 层次化结构：软硬件分层设计，提升系统效率与可扩展性。
5. 计算机系统的应用与发展
计算机系统广泛应用于科学计算、数据处理、实时控制、人工智能等领域。其发展遵循 摩尔定律，硬件性能持续提升，软件生态不断丰富，推动计算模式从集中式向分布式、智能化演进。