1. 计算机系统概述
核心概念
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定义
- 计算机系统 = 硬件子系统 + 软件子系统 + 网络设备（扩展为计算机网络）。
- 功能：按指令接收/存储数据，自动处理计算并输出结果。
- 硬件 ：物理实体（处理器、存储器、输入/输出设备）；软件：无形指令集合（系统软件支撑应用软件运行）。
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软硬件关系演变
- 传统界限模糊化（如可编程逻辑设计阶段是软件，运行时为物理硬件）。
- 趋势：功能实现方式灵活（硬件或软件均可，取决于设计需求）。
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分类维度
- 按硬件结构、性能规模、软件特征或系统用途分类（。
- 注：分类非绝对（如电话手表兼具通信与计算功能）。
重点考点
- 计算机系统组成：必考硬件与软件的角色划分。
- 软硬件界限模糊案例：可编程逻辑的"双重身份"。
- 分类原则：多维分类法及典型设备归属（如工业控制设备归类）。
考题示例
Q1 ：计算机系统中软件与硬件的核心区别是什么？举例说明界限模糊的现象。
A1：软件为指令集合，硬件为物理实体；界限模糊案例：FPGA设计时为软件，运行时为硬件逻辑门。
2. 计算机硬件
核心组成（冯·诺依曼结构演化）
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处理器（CPU）
- 演化：4位→64位；单核→多核/众核。
- 指令集 ：
- CISC（复杂指令集，如x86）：指令丰富但效率低。
- RISC（精简指令集，如ARM）：高效主流趋势。
- 国产化：龙芯、飞腾等应用于特定领域。
- 专用处理器 ：
- GPU：并行计算（深度学习）；
- DSP：实时信号处理（傅里叶变换优化）；
- FPGA：可编程硬件逻辑。
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存储器
分层体系（速度/容量权衡）：
| 层级 | 位置 | 介质 | 容量 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 片上缓存 | 处理器核心内 | SRAM | 16kB--512kB | 最快，容量最小 |
| 片外缓存 | 处理器外 | SRAM | 256kB--4MB | 次快（L2/L3 Cache） |
| 主存（内存） | 独立部件 | DRAM | 百MB--数十GB | 需持续充电保持数据 |
| 外存 | 外部设备 | 磁盘/Flash | GB--TB级 | 掉电保存，寿命有限 |
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总线（Bus）
- 类型 ：
- 内总线：芯片内部互连（片上总线）。
- 系统总线：CPU/主存/I/O互联（含局部总线）。
- 外部总线：计算机间通信（如USB、以太网）。
- 性能指标：带宽、时延、服务质量（QoS）。
- 桥接器（Bridge）：协议转换关键组件。
- 类型 ：
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接口与外部设备
- 接口类型 ：
- 显示类（HDMI）、音频类（RCA）、网络类（RJ45）、通用类（USB）。
- 外部设备 ：
- 基础设备：键盘、显示器、打印机。
- 扩展设备：工业传感器（测温仪）、穿戴设备（陀螺仪）、机械臂等。
- 连接方式：均通过接口与计算机主体交互。
- 接口类型 ：
重点考点
- 处理器指令集对比：RISC vs. CISC 优劣及代表架构。
- 存储器层次：各层介质、容量及访问速度差异（必考表格题）。
- 总线分类：内/系统/外部总线的功能区分（如PCIe属系统总线）。
- 国产硬件：龙芯/飞腾的应用领域。
考题示例
Q2 ：为何现代计算机采用存储器分层设计？列举各级存储器的典型介质。
A2：平衡速度与成本。例如：片上缓存（SRAM）速度快但容量小，外存（磁盘）容量大但速度慢。Q3 ：总线桥接器（Bridge）的主要作用是什么？
A3：实现不同总线协议间的转换（如系统总线与外部总线通信）。
章节关联与考点提示
- 软硬件协同：2.1强调系统整体性，2.2细化硬件实现，需结合理解（如处理器如何执行软件指令）。
- 趋势考点：国产化硬件（处理器）、存储技术演进（NVMe替代SATA）、异构计算（CPU+GPU协作）。
- 高频题型：存储器层次参数对比、总线类型辨析、专用处理器应用场景。
学习建议：结合图2-1（系统组成）和图2-3（处理器结构）理解硬件协作流程，重点关注分层设计思想（存储/总线）在实际系统优化中的应用。