一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及層次結(jié)構(gòu)
完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成隅津。
- 硬件系統(tǒng)
是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中看得見散劫、摸得著的物理設(shè)備，是一種高度復(fù)雜的、由多種電子線路及精密機(jī)械裝置等構(gòu)成的侮繁，能自動(dòng)且高速地完成數(shù)據(jù)計(jì)算與處理的裝置或工具虑粥。 - 軟件系統(tǒng)
是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序和相關(guān)數(shù)據(jù)，包括計(jì)算機(jī)資源管理宪哩、方便用戶使用的系統(tǒng)軟件和完成用戶預(yù)期處理的應(yīng)用軟件娩贷。
也可以通過(guò)6個(gè)層次來(lái)認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)的組成關(guān)系。如下圖所示锁孟，最下面兩層屬于硬件內(nèi)容彬祖，最上面三層屬于軟件內(nèi)容，中間的指令系統(tǒng)層連接硬件和軟件兩部分品抽。
處在上面一層的是在下面一層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的储笑，處在下面一層的是上面一層實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。
- 第零層：數(shù)字邏輯層
著重體現(xiàn)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件的最重要的物質(zhì)材料——電子線路圆恤，能夠直接處理離散的數(shù)字信號(hào)突倍。 - 第一層：微體系結(jié)構(gòu)層
也稱其為計(jì)算機(jī)裸機(jī)，這一層著重體現(xiàn)的是：為了執(zhí)行指令盆昙，需要在計(jì)算機(jī)中設(shè)置哪些功能部件羽历，每個(gè)部件如何組成和怎樣運(yùn)行，這些部件如何實(shí)現(xiàn)相互連接并協(xié)同工作等方面的知識(shí)和技術(shù)弱左。 - 第二層：指令系統(tǒng)層
介于軟件和硬件之間窄陡，它涉及確定提供哪些指令，包括指令能夠處理的數(shù)據(jù)類型和對(duì)各種類型數(shù)據(jù)可以執(zhí)行的運(yùn)算拆火，每條指令的格式和實(shí)現(xiàn)的功能跳夭，指出如何進(jìn)行存儲(chǔ)單元的讀寫操作，如何執(zhí)行外圍設(shè)備的輸入和輸出操作们镜，對(duì)哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算币叹，執(zhí)行哪種運(yùn)算，如何保存計(jì)算結(jié)果等模狭。 - 第三層：操作系統(tǒng)層
是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件颈抚，主要負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源管理與分配，以及向使用者提供簡(jiǎn)單嚼鹉、方便贩汉、高效的服務(wù)。 - 第四層：匯編語(yǔ)言層
大體上可看成是對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)器語(yǔ)言符號(hào)化處理的結(jié)果锚赤，再加上一些為方便程序設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展功能匹舞。匯編語(yǔ)言經(jīng)過(guò)匯編程序的翻譯，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)機(jī)器語(yǔ)言后线脚，可以在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)上予以執(zhí)行赐稽。 - 第五層：高級(jí)語(yǔ)言層
又稱為算法語(yǔ)言叫榕，它的實(shí)現(xiàn)思路是著重面向解決實(shí)際問(wèn)題所用的算法，更多的是考慮如何方便程序設(shè)計(jì)人員寫出能解決問(wèn)題的處理方案和解題過(guò)程姊舵。
通常把沒(méi)有配備軟件的純硬件系統(tǒng)稱為“裸機(jī)”晰绎，其對(duì)應(yīng)上圖的第一層；支持機(jī)器語(yǔ)言的叫L1虛擬機(jī)括丁；增加了操作系統(tǒng)的叫L2虛擬機(jī)荞下；支持匯編語(yǔ)言的叫L3虛擬機(jī)；支持高級(jí)語(yǔ)言的叫L4虛擬機(jī)躏将。
二锄弱、計(jì)算機(jī)硬件概述
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心功能是執(zhí)行程序。
為此祸憋，首先必須有能力把要運(yùn)行的程序和用到的原始數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部并存儲(chǔ)起來(lái)会宪，接下來(lái)應(yīng)該有辦法逐條執(zhí)行這個(gè)程序中的指令以完成數(shù)據(jù)運(yùn)算并得到結(jié)果，最后還要輸出運(yùn)算結(jié)果供人檢查和使用蚯窥。
因此掸鹅，一套計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)至少需要由下述5個(gè)相互連接在一起的部件或設(shè)備組成，如下圖所示：
- 數(shù)據(jù)輸入設(shè)備
把程序和原始數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)拦赠。 - 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件
實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的保存巍沙，圖中指的是內(nèi)存。 - 數(shù)據(jù)運(yùn)算部件
承擔(dān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理功能荷鼠。 - 數(shù)據(jù)輸出設(shè)備
把運(yùn)算及處理結(jié)果從計(jì)算機(jī)輸出句携，供用戶查看或長(zhǎng)期保存。 - 計(jì)算機(jī)控制部件
負(fù)責(zé)首先從存儲(chǔ)部件取出指令并完成指令譯碼允乐，然后根據(jù)每條指令運(yùn)行功能的要求矮嫉，向各個(gè)部件或設(shè)備提供它們所需要的控制信號(hào)，它在整個(gè)硬件系統(tǒng)中起著指揮牍疏、協(xié)調(diào)和控制的作用蠢笋。
其中，數(shù)據(jù)運(yùn)算部件鳞陨、計(jì)算機(jī)控制部件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件三者被安裝在一個(gè)金屬柜機(jī)或音質(zhì)電路板上昨寞，被稱為計(jì)算機(jī)的主機(jī)。而數(shù)據(jù)運(yùn)算部件（運(yùn)算器）和計(jì)算機(jī)控制部件（控制器）合稱為計(jì)算機(jī)的中央處理器（CPU）厦滤。
數(shù)據(jù)輸入設(shè)備和數(shù)據(jù)輸出設(shè)備可以合成為輸入輸出設(shè)備援岩，又稱為計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備。
計(jì)算機(jī)的三種類型的總線：
- 數(shù)據(jù)總線
用于在部件或設(shè)備之間傳送屬于數(shù)據(jù)信息（指令和數(shù)據(jù)）的電氣信號(hào)掏导。 - 地址總線
用于在部件或設(shè)備之間傳送屬于地址信息的電氣信號(hào)窄俏，以選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件中的一個(gè)存儲(chǔ)單元，或外圍設(shè)備中的一個(gè)設(shè)備碘菜。 - 控制總線
用于向存儲(chǔ)部件和外圍設(shè)備傳送起控制作用的電氣信號(hào)，也就是指定在CPU和這些部件或設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的方向及操作的性質(zhì)等。
在計(jì)算機(jī)中忍啸，普遍采用的體系結(jié)構(gòu)是由馮·諾依曼提出來(lái)的仰坦，被稱為存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。
早期計(jì)算機(jī)计雌，各個(gè)部件是圍繞著運(yùn)算器來(lái)組織的悄晃，如下圖所示，其特點(diǎn)是在存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算器凿滤。
在當(dāng)前流行的計(jì)算機(jī)中妈橄，更常用的方案是圍繞著存儲(chǔ)器來(lái)組織的，如下圖所示翁脆，這種方案是使輸入輸出操作盡可能地繞過(guò)CPU眷蚓，直接在輸入/輸出設(shè)備和存儲(chǔ)器之間完成，以提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能反番。
三沙热、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也稱為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究對(duì)象是計(jì)算機(jī)物理系統(tǒng)的抽象和定義罢缸，具體包括：
- 數(shù)據(jù)表示
定點(diǎn)數(shù)篙贸、浮點(diǎn)數(shù)編碼方式，硬件能直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式等枫疆。 - 尋址方式
最小尋址單位爵川，尋址方式種類，地址計(jì)算等息楔。 - 寄存器定義
通用寄存器寝贡、專用寄存器等定義，結(jié)構(gòu)钞螟，數(shù)量和作用等兔甘。 - 指令系統(tǒng)
指令的操作類型和格式，指令間排序和控制等鳞滨。 - 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
最小編址單位洞焙，編址方式，主存和輔存容量拯啦，最大編址空間等澡匪。 - 中斷系統(tǒng)
中斷種類，中斷優(yōu)先級(jí)和中斷屏蔽褒链，中斷響應(yīng)唁情，中斷向量等。 - 機(jī)器工作狀態(tài)定義和切換
管態(tài)甫匹、目態(tài)等定義及切換甸鸟。 - I/O系統(tǒng)
I/O接口訪問(wèn)方式惦费，I/O數(shù)據(jù)源亿遂、目的决摧、傳送量纺念、I/O通信方式蔑祟，I/O操作結(jié)束和出錯(cuò)處理等馏予。 - 總線結(jié)構(gòu)
總線通信方式尸执，總線仲裁方式巢音，總線標(biāo)準(zhǔn)等累澡。 - 系統(tǒng)安全與保密
檢錯(cuò)鳍贾、糾錯(cuò)鞍匾，可靠性分析，信息保護(hù)骑科，系統(tǒng)安全管理等橡淑。
四、計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)
計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)包括以下幾項(xiàng)：
- 機(jī)器字長(zhǎng)
- 數(shù)據(jù)通路寬度
- 主存容量
- 運(yùn)算速度
1. 機(jī)器字長(zhǎng)
機(jī)器字長(zhǎng)是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)纵散，它是由加法器梳码、寄存器的位數(shù)決定的，所以機(jī)器字長(zhǎng)一般等于內(nèi)部寄存器的大小伍掀。
字長(zhǎng)標(biāo)志著精度掰茶，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算的精度越高蜜笤。
在計(jì)算機(jī)中濒蒋，以字節(jié)（Byte）為基本單位，用大寫的字母B表示把兔，一個(gè)字節(jié)等于八位二進(jìn)制位（bit）沪伙。
不同的計(jì)算機(jī)，字的長(zhǎng)度也是不相同的县好，例如：Intel 80x86系列围橡，一個(gè)字等于16位；IBM 303x系列缕贡，一個(gè)字等于32位翁授。
2. 數(shù)據(jù)通路寬度
數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送信息的位數(shù)，稱為數(shù)據(jù)通路寬度晾咪。它影響到信息的傳送能力收擦，從而影響計(jì)算機(jī)的有效處理速度。
3. 主存容量
一個(gè)主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的全部信息量稱為主存容量谍倦。通常塞赂，以字節(jié)數(shù)來(lái)表示存儲(chǔ)容量，這樣的計(jì)算機(jī)稱為字節(jié)編址的計(jì)算機(jī)昼蛀。
計(jì)算機(jī)的主存容量越大宴猾，存放的信息就越多圆存，處理問(wèn)題的能力就越強(qiáng)。
4. 運(yùn)算速度
計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度與許多因素有關(guān)仇哆，如機(jī)器的主頻辽剧、執(zhí)行什么樣的操作及主存本身的速度等。對(duì)運(yùn)算速度的衡量有不同的方法：
- 根據(jù)不同類型指令在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的頻繁程度税产，乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計(jì)平均值偷崩，這時(shí)所指的運(yùn)算速度是平均運(yùn)算速度辟拷。
- 以每條指令執(zhí)行所需時(shí)鐘周期數(shù)來(lái)衡量運(yùn)算速度。
- 以
MIPS（每秒執(zhí)行多少百萬(wàn)條指令）和MFLOPS（每秒執(zhí)行多少百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算）作為計(jì)量單位來(lái)衡量運(yùn)算速度阐斜。
