前言
本课程研究计算机底层硬件协同工作原理 ；计算机整体分层：硬件→操作系统→应用软件，依托网络实现多设备互联。
所有图像、文字、音视频在硬件中统一以二进制 0/1存储传输，依靠高低电平区分 0、1。
一、计算机系统组成
1. 两大核心部分：硬件 + 软件
- 硬件：看得见摸得着的实体（主机、外设）
- 主机：CPU、内存（主存）
- 外设（I/O）：输入（键盘鼠标）、输出（显示器）、辅存（硬盘 SSD）
- 硬件决定计算机性能上限
- 软件：逻辑程序，无实体，最大化发挥硬件性能
- 分类：系统软件、应用软件
（1）系统软件（管理硬件、为上层提供服务）
- 操作系统 OS（Windows/Linux/iOS/Android）核心
- 数据库管理系统 DBMS
- 语言处理程序：编译器、汇编器、解释器
- 标准程序库、网络软件、调试服务程序
（2）应用软件（面向用户，解决具体需求）
微信、抖音、PS、CAD、美图秀秀等
2. 软硬件逻辑等效性
同一功能可硬件 / 软件两种方式实现：
- 硬件实现：成本高、运算速度快（如专用乘法电路）
- 软件实现：成本低、速度慢（多次加法模拟乘法）
二、计算机硬件发展四代（按逻辑元件划分，考试重点）
第一代：电子管计算机（1946，ENIAC）
- 逻辑元件：电子管
- 特点：体积巨大（170㎡）、耗电 150 千瓦、每秒 5000 次加法、故障率高
- 编程：机器语言（二进制纸带打孔）
- 衍生概念 Bug：早期纸带小虫导致程序出错，漏洞由此得名
第二代：晶体管计算机（贝尔实验室 1947 发明）
- 逻辑元件：晶体管
- 特点：体积大幅缩小、功耗低、速度提升至几十万次 / 秒
- 软件：出现 Fortran 高级语言、早期操作系统
- 缺陷：人工焊接几十万晶体管，焊点易故障
第三代：中小规模集成电路
- 逻辑元件：集成电路（晶体管集成在芯片）
- 特点：体积更小、功耗更低、可靠性大幅提升
- 软件：高级语言爆发、分时操作系统
- 用途：专业科学计算，未普及个人使用
第四代：大规模 / 超大规模集成电路（当前主流）
- 逻辑元件：微处理器（CPU），指甲大小芯片集成百亿级晶体管（如 A13 集成 85 亿晶体管）
- 产物：微型计算机、手机、智能设备
- 软件：Windows、Linux 等成熟图形操作系统
补充：芯片产业发展史
- 肖克利（晶体管之父）创办公司，吸引 8 名人才，后 8 人集体离职，被称为八叛徒
- 八叛徒创立仙童半导体，1959 年发明集成电路
- 仙童分支：摩尔等人创立英特尔；桑德斯创立 AMD
- 摩尔定律：集成电路晶体管数量约 18~24 个月翻倍，性能同步翻倍；主存容量成本同步符合该规律
三、软件语言发展三级
- 机器语言（低级）：纯二进制 01，硬件唯一识别语言，可读性极差
- 汇编语言（低级）：助记符替代二进制，和机器指令一一对应，仍贴近硬件
- 高级语言：C/C++/Python/Java，贴近人类自然语言，无需关注硬件底层
翻译程序（高级语言转机器语言）
- 编译器：一次性全部翻译为可执行文件（C 语言生成.exe），重复执行无需二次翻译，效率高
- 解释器：边运行边翻译（Python/JS），重复代码重复翻译，效率低
- 汇编器：汇编语言→机器语言
- 三者统称翻译程序
C 语言程序完整编译流程
源程序 (.c) → 预处理器（处理宏定义 #）→ 编译器（C→汇编）→ 汇编器（汇编→目标文件.o）→ 链接器（整合库函数）→ 可执行文件 (.exe)
四、计算机两大发展趋势
- 微型化：手机、智能穿戴，便携、多用途、高性能
- 巨型化：超级计算机，超高并行运算速度
- 国内代表：神威・太湖之光、天河二号
五、计算机系统多级层次结构（自下而上）
- 微程序机器层（硬件底层，微指令）
- 传统机器层（机器语言，计组核心研究层）
- 操作系统机器层（软硬件分界）
- 汇编语言虚拟机
- 高级语言虚拟机
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| 底层是上层基础；上层为上层提供抽象；计算机专业 "透明"= 不可见 |
易混概念区分：计算机体系结构 vs 计算机组成原理
- 计算机体系结构：程序员可见的硬件属性（指令集 ISA、有无乘法指令），定义软硬件接口
- 计算机组成原理：硬件内部如何实现接口（乘法电路怎么搭建），对程序员透明
第二章 计算机硬件五大部件 & 两类冯诺依曼结构
一、冯诺依曼五大硬件部件
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备（I/O）
- 输入设备：信息转为二进制送入计算机（键盘、鼠标）
- 输出设备：二进制数据转为人类可读形式（显示器、打印机）
- 存储器 ：存指令 + 数据，分主存（内存） 、辅存（硬盘 SSD，属于 I/O）
- 运算器 ALU：完成算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非）
- 控制器 CU：解析指令，发送控制信号调度所有硬件
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| 运算器 + 控制器集成在同一芯片 = CPU；CPU + 主存 = 主机 |
二、两种冯诺依曼结构（考试核心考点）
1. 传统冯诺依曼结构（EDVAC，以运算器为中心）
- 核心特点：所有 I/O、内存的数据传输必须经过运算器中转
- 流程缺陷：运算器既要计算又要搬运数据，占用运算资源，效率低
- 课程原文明确结论：传统冯诺依曼机是以运算器为中心
2. 现代计算机结构（优化版，以存储器为中心）
- 核心特点：I/O 设备直接和主存交换数据，无需经过 CPU 运算器中转
- 优势：解放运算器，专注数值计算，效率大幅提升
- 手机、台式机、笔记本全部采用此结构
三、冯诺依曼体系六大核心特点
- 五大硬件部件组成计算机
- 指令与数据同等地位存放在存储器，统一按地址寻访
- 全部采用二进制表示指令、数据
- 指令格式：操作码（做什么运算）+ 地址码（操作数据存放地址）
- 存储程序：运行前将整套程序提前存入主存，自动逐条执行
- 传统结构以运算器为中心（现代改为存储器为中心）
第三章 主存储器（内存）详细结构
一、主存三大核心组件
- 存储体：海量存储元组成，存放二进制数据
- 存储元：1 个电子元件，存 1bit（0/1）
- 存储单元：一组存储元，存放 1 个存储字
- 存储字长：一个存储单元包含的二进制位数（8/16/32/64bit）
- MAR 存储器地址寄存器
- 功能：存放要访问的存储单元地址
- 位数 = 存储单元总数的二进制位数（4 位 MAR 对应 2⁴=16 个单元）
- MDR 存储器数据寄存器
- 功能：存放从主存读出 / 写入的数据
- 位数 = 存储字长
补充：MAR、MDR 逻辑归属主存，物理通常集成在 CPU 内
二、主存读写流程（菜鸟驿站类比记忆）
读操作（取数据）
- CPU 将目标地址送入 MAR
- 控制器发读信号，主存根据 MAR 地址找到存储单元
- 单元数据送入 MDR
- CPU 从 MDR 取出数据使用
写操作（存数据）
- 写入地址送入 MAR，待写入数据送入 MDR
- 控制器发写信号
- 将 MDR 数据写入 MAR 对应存储单元
三、关键单位区分（高频选择题）
- bit（小写 b，比特）：1 位二进制，宽带单位 100Mb/s
- Byte（大写 B，字节）：1Byte = 8bit，文件下载速度单位 MB/s
- 字 Word：存储单位，字长由硬件决定（16/32/64 位），不等于字节
第四章 CPU 内部结构：运算器 + 控制器
一、运算器（负责计算，核心 ALU）
组成部件
- ALU 算术逻辑单元：运算核心，硬件成本最高，实现算术 / 逻辑运算
- ACC 累加器：存放操作数、运算结果
- X 通用操作数寄存器：存放另一个操作数
- MQ 乘商寄存器：仅乘除运算使用，存放乘数、商、乘积低位
运算示例
Y=A×B+C
- 取 A 放入 ACC
- 取 B 放入 MQ，A 送入 X，ALU 相乘，结果存入 ACC
- 取 C 送入 X，ALU 相加，结果存入 ACC
- ACC 结果写入内存 Y 地址
二、控制器（指挥全机工作，核心 CU）
组成部件
- CU 控制单元：解析指令，发出硬件控制信号
- IR 指令寄存器：存放当前正在执行的指令
- PC 程序计数器：存下一条指令地址，取指后自动 + 1
三、单条指令执行三阶段（通用流程）
- 取指令
PC→MAR→主存读出指令→MDR→IR；PC 自动 + 1
- 分析指令
IR 内指令操作码送入 CU，CU 判断运算类型（加 / 乘 / 存数）
- 执行指令
CU 发送控制信号，调度运算器、主存完成对应操作
第五章 程序完整执行模拟（复习实操案例）
示例代码：Y = A × B + C
变量地址：A (5)、B (6)、C (7)、Y (8)，程序指令存 0~4 号单元
完整执行步骤简化总结：
- PC 初始为 0，取出第一条取数指令，将内存 5 号 A=2 送入 ACC
- PC=1，取出乘法指令，取出 B=6，X=2、MQ=6，ALU 相乘 ACC=6
- PC=2，取出加法指令，取出 C=1 送入 X，ACC=6+1=7
- PC=3，取出存数指令，将 ACC=7 写入内存 8 号单元 Y
- PC=4，取出停机指令，程序结束
第六章 补充易混考点汇总
1. 主存 vs 辅存
- 主存（内存）：主机组成部分，程序运行时调入，断电数据丢失
- 辅存（硬盘）：属于 I/O 外设，长期存放程序，运行前载入主存，断电数据保留
2. 主机范围
主机 = CPU（运算器 + 控制器）+ 主存储器；硬盘、显示器不属于主机
3. 存储程序核心意义
无需人工手动接线切换指令，计算机可自动连续执行整套程序，是冯诺依曼架构最大突破（解决 ENIAC 人工操作低效问题）
4. 区分两类中心结构（必背）
- 老式冯诺依曼（EDVAC）：运算器为中心
- 现代计算机：存储器为中心
5. ISA 指令集体系结构
软硬件之间的接口规范，规定 CPU 支持哪些指令，是体系结构课程核心内容。