计算机系统概述

2026-04-14

第一章_计算机系统概述

一个完整的计算机系统由软件和硬件进行组成。

冯 · 诺依曼为解决早期计算机程序都需要接线员手动进行输入的问题，提出了“存储程序”的概念，提出了经典的冯 · 诺依曼结构（运算器为中心），如图所示：冯诺依曼结构而由于随着时代的发展，冯 · 诺依曼结构变得效率不足，因此，提出了现代的计算机结构（存储器为中心），如图所示：

存储器： 运算器： 控制器：

通过一个完整的过程来感受各个硬件之间的协同作用，代码和流程图如下所示：

// 全局变量（静态存储区）
int a = 2, b = 3, c = 1, y = 0;

int main() {
    y = a * b + c;  // 核心计算：2*3+1=7
    return 0;
}

流程图

本小节思维导图如下：注意解释器、编译器和汇编器的区别。知识汇总关于软件与硬件的逻辑等价性，解释如下图所示：

计算机系统层次结构如图所示：

计算机系统工作原理如图所示：

如图所示：存储器的性能指标

如图所示： CPU 的性能指标 CPU 性能（以时间衡量）取决于三个要素：指令条数、CPI 和主频，公式为：

$$ \boxed{\text{CPU执行时间}=\text{指令条数}\times\text{CPI}\times\text{时钟周期}=\frac{\text{指令条数}\times\text{CPI}}{\text{主频}}} $$

如图所示：其他性能指标 影响 CPI 的因素（我认为是易错点）：

注意：指令条数、CPI 和主频是影响 CPU 执行时间的三个因素；而系统结构、指令集、计算机组织是影响 CPI 的主要因素，两者不要混淆。

用几个问题来熟悉：

主频高的 CPU 一定比主频低的 CPU 快吗？ 不一定！如两个 CPU，A 的主频为 2GHz，平均 CPI=10；B 的主频 1GHz，平均 CPI=1。B 的指令执行速度更快。
那加上 A、B 两个 CPU 的平均 CPI 相同，那么 A 一定更快吗？ 也不一定！还要看指令系统，如 A 不支持乘法指令，只能用多次加法实现乘法；而 B 支持乘法指令。
基准程序（一组专门用于性能测评的典型程序）执行得越快说明机器性能越好吗？ 不一定！基准程序中的语句存在频度差异，硬件或者编译器开发者可能对此进行针对性优化，运行结果不能完全说明问题。

开计算机组成原理了，越学越累…