计算机组成原理之计算机系统概述（补充）

目录

• 一、引入
• 二、计算机发展历程
• • [2.1 什么是计算机系统](#2.1 什么是计算机系统)
  • [2.2 硬件的发展](#2.2 硬件的发展)
  • [2.3 软件的发展](#2.3 软件的发展)
  • [2.4 目前的发展趋势](#2.4 目前的发展趋势)
  • [2.5 小结](#2.5 小结)
• 三、计算机硬件的基本组成
• • [3.1 早期冯诺依曼机的结构](#3.1 早期冯诺依曼机的结构)
  • [3.2 现代计算机的结构](#3.2 现代计算机的结构)
  • [3.3 小结](#3.3 小结)
• 四、各个硬件的工作原理
• • [4.1 主存储器的基本构成](#4.1 主存储器的基本构成)
  • [4.2 小结](#4.2 小结)
• 五、计算机系统的层次结构
• 六、计算机的性能指标
• • [6.1 存储器的性能指标](#6.1 存储器的性能指标)
  • [6.2 CPU的性能指标](#6.2 CPU的性能指标)
  • [6.3 系统整体的性能指标](#6.3 系统整体的性能指标)
  • [6.4 小结](#6.4 小结)

一、引入

现代信息化的世界：

大家熟悉的硬件：

手机的 CPU：

1. 运算能力： CPU是手机的大脑，它负责执行各种计算任务。更强大的CPU意味着手机可以更快地处理复杂的计算，例如应用程序、游戏、多媒体处理等。
2. 多任务处理： 强大的CPU可以更好地处理多个任务和应用程序，使得在切换应用或同时运行多个应用时能够更流畅。
3. 应用程序响应速度： 快速的CPU可以提供更快的应用程序启动时间和响应速度，让用户在使用手机时感觉更加流畅和高效。
4. 游戏性能： 对于游戏来说，CPU的性能直接影响游戏的帧率、画面质量和流畅度。强大的CPU可以支持更高分辨率的游戏以及更复杂的图形效果。
5. 多媒体处理： 包括照片、视频、音频等的处理需要一定的计算能力。强大的CPU可以加速图像和视频编辑、渲染以及其他媒体处理任务。
6. 人工智能（AI）任务： 现代手机越来越多地利用AI来进行各种任务，如图像识别、语音识别和增强现实。强大的CPU可以更快地处理这些复杂的AI计算。
7. 电池寿命： 虽然这看起来有些矛盾，但是高性能的CPU可能会在处理复杂任务时消耗更多的电能，从而影响电池寿命。因此，现代手机CPU通常会在性能和能效之间进行平衡。

需要注意的是，手机性能不仅仅取决于CPU，还受到其他因素的影响，如GPU（图形处理器）、内存、存储速度以及优化程度等。不同的手机可能会在不同方面有所侧重，因此在购买手机时需要综合考虑各种因素。

手机的内存： 手机的内存（RAM，随机存取存储器）在手机性能方面也扮演着重要的角色，它对多任务处理和应用程序的运行有着直接影响。内存的大小和速度会影响手机的各种性能方面，包括：

1. 多任务处理能力： 内存决定了手机能够同时运行多少个应用程序。更大的内存意味着手机可以在后台保持更多的应用程序，而不会因为内存不足而导致应用被关闭或重新加载。
2. 应用程序运行流畅度： 内存允许应用程序在后台保持运行状态，这样当你切换回应用时，应用程序能够迅速响应，不需要重新加载。足够的内存还可以减少应用程序的卡顿和延迟。
3. 多媒体处理： 在浏览照片、观看视频或进行图像编辑等任务时，内存可以存储和处理相关的数据，提供更流畅的媒体体验。
4. 游戏性能： 游戏需要大量的内存来存储游戏数据、图形资源和运行时状态。足够的内存可以确保游戏在高分辨率和复杂图形效果下运行顺畅。
5. 多媒体多任务处理： 如果你喜欢同时进行多项媒体任务，如在听音乐的同时浏览照片，内存会确保这些任务都能在后台运行。
6. 应用程序的启动速度： 内存可以缓存已经打开的应用程序，使得下次启动这些应用程序时速度更快。

尽管内存在提供快速性能方面非常重要，但并不是所有的性能问题都可以通过增加内存来解决。其他因素，如CPU、存储速度、操作系统优化等，也会影响手机的整体性能。手机制造商通常会努力在这些不同的方面找到平衡，以提供更好的用户体验。

手机的机身存储： 手机的机身存储，也称为存储容量，是指手机用来存储应用程序、媒体文件、文档和其他数据的空间大小。存储容量虽然不直接影响CPU和内存等核心硬件性能，但它在手机性能和用户体验方面扮演了重要的角色：

1. 应用程序和数据存储： 较大的存储容量可以容纳更多的应用程序和数据，无需频繁删除或迁移文件。这意味着你可以安装更多的应用、保存更多的照片、视频和音乐等。
2. 多媒体文件： 存储容量足够大可以存储大量的媒体文件，如高清照片、视频、音乐和电子书等。这样你可以在手机上享受多媒体内容，而无需担心存储不足问题。
3. 应用程序和系统性能： 存储容量不足可能导致应用程序加载缓慢、响应迟钝，甚至系统操作可能会变得不稳定。较大的存储容量可以减轻这些问题，提供更流畅的应用程序体验。
4. 系统更新和安装： 系统更新通常需要一定的空间来下载和安装，如果存储空间不足，可能会阻碍你及时更新操作系统，从而可能错过重要的性能优化和安全修复。
5. 离线文件存储： 某些应用程序和服务（如云存储应用）可能需要在本地存储一些文件供离线使用。足够的存储容量可以满足这些需求。
6. 数据备份和恢复： 大容量存储可以更方便地进行数据备份，以防止意外数据丢失。同时，在恢复时也能更快速地将数据还原到手机中。

虽然存储容量对手机性能的影响不同于CPU和内存等硬件部分，但它在日常使用中仍然非常重要，特别是对于那些需要存储大量媒体内容和文件的用户。手机的存储容量通常会在购买时确定，所以在购买手机时，选择适合自己使用需求的存储容量是很重要的。

电脑：(上面已经详细地描述了CPU、内存、机身存储的作用，这里就不再赘述)

来，露个脸：CPU

来，露个脸：内存条

来，露个脸：硬盘

计算机硬件能识别的数据：

什么是低电平/高电平?

通过电信号传递数据：


再看一眼硬件的长相：

欢迎来到计组的世界，二进制的世界：

二、计算机发展历程

2.1 什么是计算机系统

软件的分类：

2.2 硬件的发展

发展阶段：第一代

发展阶段：第二代

发展阶段：第三代

发展阶段：第四代

微处理器的发展：

小故事：

摩尔定律：

2.3 软件的发展

2.4 目前的发展趋势

2.5 小结

三、计算机硬件的基本组成

3.1 早期冯诺依曼机的结构

图例：

特点：

对比加工厂：

3.2 现代计算机的结构

补充说明： CPU 是计算机硬件系统的核心部件，在微型计算机系统或其他应用大规模集成电路技术的系统中，它被集成在一块芯片上，构成 微处理器。 CPU 的主要功能是读取并执行指令，在执行指令的过程中，它向系统中的各部件发出各种控制信息，收集各部件的状态信息，与各部件交换数据信息。CPU 由运算部件、寄存器组和控制器组成，它们通过 CPU 内部的总线相互交换信息。运算部件完成算术运算 (定点数运算、浮点数运算) 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微命令，这些微命令可以通过组合逻辑电路产生，也可以通过执行微程序产生，相应分别被称为组合逻辑和微程序控制方式。

简化：

补充说明： ① 存储器： 存储器用来存储信息，包括程序、数据、文档等。如果存储器的存储容量越大、存取速度越快，那么系统的处理能力就越强，工作速度也就越高。但是一个存储器很难同时满足大容量、高速度的要求，因此常将 存储器分为 主存、外存 和 缓存三级 存储体系。

1. 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。因此，要求主存的存取速度很快，但目前因技术条件的限制其容量有限，一般仅为几GB。主存通常用半导体材料构成。此外，通常将 CPU 和 主存 合称为 主机 ，因主存位于主机之内，故 主存又常被称为内存。
2. 外存位于主机之外，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。需要时， 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入主存。因此，外存的容量很大，但存取速度比主存慢，如磁盘、光盘和U盘等都是常用的外存。
3. 高速缓存(Cache) 是为了提高 CPU 的访存速度，在 CPU 和主存之间设置的一级速度很快的存储器，容量较小，用来存放 CPU 当前正在使用的程序和数据。高速缓存的地址总是与主存某一区间的地址相映射，工作时 CPU 首先访问高速缓存，如果未找到所需的内容，再访问主存。高速缓存由高速的半导体存储器构成。在现代计算机中，缓存是集成在 CPU 内部的，一般集成了两级Cache，高端芯片(如多核处理器)甚至集成了第三级Cache。早期的计算机中常在 CPU 外部设置片外Cache，但这种方式已经被淘汰很多年了。

② 输入/输出设备： 输入设备将各种形式的外部信息转换为计算机能够识别的代码形式送入主机。常见的输入设备有键盘、鼠标等。输出设备将计算机处理的结果转换为人们所能识别的形式输出。常见的输出设备有显示器、打印机等。从信息传送的角度来看，输入设备和输出设备都与主机之间传输数据，只是传输方向不同，因此常将输入设备和输出设备合称为 输入/输出（Input/Output，I/O）设备。它们在逻辑划分上位于主机之外，又称为外围设备或外部设备，简称外设。磁盘、光盘等外存既可看成存储系统的一部分，也可看成具有存储能力的输入/输出设备。

③ 总线： 总线是一组能为多个部件分时共享的信息传输线。现代计算机普遍采用总线结构，用一组系统总线将 CPU 、存储器和 I/O设备 连接起来，各部件通过这组总线交换信息。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。根据系统总线上传送的信息类型，系统总线可分为 地址总线、数据总线和控制总线。 地址总线用来传送 CPU 或外设发向主存的地址码。数据总线用来传送 CPU 、主存以及外设之间需要交换的数据。控制总线用来传送控制信号，如时钟信号、CPU 发向主存或外设的读/写命令和外设送往 CPU 的请求信号等。

3.3 小结

四、各个硬件的工作原理

4.1 主存储器的基本构成

主存储器：

运算器的基本组成：

控制器的基本组成：

计算机的工作过程： 第 ① 步：

第 ② 步：

第 ③ 步：

第 ④ 步：

第 ⑤ 步：

第 ⑥ 步：

第 ⑦ 步：小结

4.2 小结

五、计算机系统的层次结构

三种级别的语言：

小结：

补充：计算机体系结构 VS 计算机组成原理

六、计算机的性能指标

6.1 存储器的性能指标

补充：

6.2 CPU的性能指标

例题：

其他指标：

6.3 系统整体的性能指标

动态测试：

思考：

6.4 小结

至此今天的学习就到此结束了，笔者在这里声明，笔者写文章只是为了学习交流，以及让更多学习C语言的读者少走一些弯路，节省时间，并不用做其他用途，如有侵权，联系博主删除即可。感谢您阅读本篇博文，希望本文能成为您编程路上的领航者。祝您阅读愉快！

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