第一章 计算机系统概述

本章考情：选择题为主，每年约1~2题。重点：冯·诺依曼体系结构特点、各部件功能、性能指标计算（MIPS/CPI/CPU执行时间）、计算机层次结构。

1.1 计算机发展历程（了解即可）

⚠️ 注意：2025年408大纲已删除"计算机发展历程"，但了解发展脉络有助于理解为什么计算机要这样设计。

代	年代	逻辑元件	特点
第一代	1946-1957	电子管	机器语言/汇编语言编程，体积庞大
第二代	1958-1964	晶体管	高级语言出现（FORTRAN），体积缩小
第三代	1965-1971	中小规模集成电路	操作系统出现，半导体存储器
第四代	1972至今	大规模/超大规模集成电路	微处理器诞生，个人计算机普及

🗣️ 大白话：计算机发展的趋势就是——元件越来越小、速度越来越快、价格越来越便宜。从占满一个房间到放进口袋里。

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1.2 计算机硬件的基本组成

一、冯·诺依曼计算机

冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础，1945年由冯·诺依曼（John von Neumann）提出。

冯·诺依曼计算机的五大特点：

序号	特点	说明
1	由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成	五大部件缺一不可
2	指令和数据以同等地位存放在存储器中，可按地址访问	这是"存储程序"思想的核心
3	指令和数据均用二进制表示	计算机只认识0和1
4	指令由操作码和地址码组成	操作码说"做什么"，地址码说"对谁做"
5	存储程序原理：将程序事先存入主存储器中，然后让计算机自动逐条取出指令并执行	这是冯·诺依曼机最核心的思想

🗣️ 大白话：冯·诺依曼体系的核心就一句话——"把程序和数据都存在内存里，然后让计算机自己一条条读指令、执行指令"。在此之前，"编程"要手动拔插电线，改一下程序就要重新接线，累死人。冯·诺依曼说："何必呢？把指令也当成数据存起来不就好了？"——这就是"存储程序"思想。

⚠️ 2009年真题考点：冯·诺依曼计算机中，指令和数据都以二进制的形式存放在存储器中，CPU如何区分它们？ 答：依据指令周期的不同阶段——在取指阶段（取指周期），从存储器取出的是指令；在执行阶段（执行周期），从存储器取出的是数据。也就是说，区分指令和数据靠的是时间（时序），而不是靠内容本身。

二、冯·诺依曼计算机的五大部件

┌─────────────┐ 输入设备 ─────> │ 存储器 │ ──────> 输出设备 │ (主存储器) │ └───┬───┬─────┘ 数据↕ ↕数据 ┌───┴───┴─────┐ │ 运算器 | │ (ALU) │ └───────┬─────┘ 控制信号↕ ┌───────┴──────┐ │ 控制器 │ │ (CU) │ └──────────────┘

各部件的核心寄存器和功能：

部件	核心组件	功能
运算器	ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、MQ（乘商寄存器）、X（通用操作数寄存器）、PSW（程序状态字）	执行算术运算和逻辑运算
控制器	CU（控制单元）、IR（指令寄存器）、PC（程序计数器）	协调控制各部件工作
存储器	MAR（存储器地址寄存器）、MDR（存储器数据寄存器）、存储体	存放程序和数据
输入设备	键盘、鼠标、扫描仪等	将外部信息转换为计算机可识别的形式
输出设备	显示器、打印机、音箱等	将计算结果转换为人或其他设备可使用的形式

关键寄存器详解：

寄存器	全称	功能	位数
PC	Program Counter（程序计数器）	存放下一条待执行指令的地址，具有自动加1功能	与MAR位数相同
IR	Instruction Register（指令寄存器）	存放当前正在执行的指令	与MDR位数相同
MAR	Memory Address Register	存放要访问的存储单元的地址	位数决定最大寻址空间
MDR	Memory Data Register	存放从存储器读出或要写入存储器的数据	位数=存储字长
ACC	Accumulator（累加器）	运算结果的暂存，也作为运算的一个输入	与机器字长相同
PSW	Program Status Word	存放条件码（OF/SF/ZF/CF等标志位）	—

🗣️ 大白话：

• PC就像你读书时用手指着"下一行要读的地方"，你读完一行，手指自动往下移。
• IR就像你正在朗读的那一行文字。
• MAR就像你告诉图书管理员"我要第几本书"。
• MDR就像管理员从书架上取下来放到柜台上的那本书。

⚠️ 易错点：MAR和MDR在逻辑上属于主存，但在现代计算机中，它们通常被集成到CPU芯片内部。对程序员不可见（程序员不能直接操作MAR、MDR、IR）。PC对汇编程序员可见（可以通过JMP等指令修改PC）。

📝 2010年真题：下列寄存器中，汇编语言程序员可见的是？ → PC（程序计数器）。MAR、MDR、IR都是CPU内部工作寄存器，对程序员不可见。

三、现代计算机的结构

现代计算机以CPU（中央处理器）和主存储器为核心：

CPU = 运算器 + 控制器 主机 = CPU + 主存储器

⚠️ 重要区分：

• 冯·诺依曼机以运算器为中心（所有数据都经过运算器中转）
• 现代计算机以存储器为中心（运算器和控制器合成CPU，I/O设备可直接与存储器交换数据，不必经过运算器）

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1.3 计算机的工作过程

一、存储程序的工作方式

计算机工作的基本流程：**取指令 → 分析指令 → 执行指令 → 再取下一条指令...**循环往复，直到遇到停机指令。

详细过程：

① (PC) → MAR // 将PC中的指令地址送到MAR ② M(MAR) → MDR // 根据MAR中的地址从主存中读出指令，送到MDR ③ (MDR) → IR // 将指令从MDR送到IR中保存 ④ OP(IR) → CU // 将指令的操作码部分送到CU译码 ⑤ Ad(IR) → MAR // 将指令的地址码部分送到MAR（取操作数） ⑥ M(MAR) → MDR // 从主存中读出操作数 ⑦ (MDR) → ACC // 操作数送ACC，执行运算 ⑧ (PC) + 1 → PC // PC自动加1，指向下一条指令

🗣️ 大白话：计算机工作就像一个特别死板的厨师——

1. 先看菜谱的第几步（PC告诉它看哪一步）
2. 翻开菜谱读这一步的内容（取指令）
3. 理解这一步要干什么（译码）
4. 照着做（执行——比如"切5块土豆"就是"取出5块土豆并切"）
5. 自动看下一步（PC+1）
6. 不断重复，直到菜谱说"出锅"（停机指令）

⚠️ 注意：步骤⑧ (PC)+1→PC 在取指的同时就完成了（与步骤②同时进行），而不是执行完指令才加1。这一点在相对寻址的计算中至关重要！

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1.4 计算机系统的层次结构

一、计算机系统 = 硬件 + 软件

┌──────────────────┐ │ 应用程序 │ ← 最终用户 ├──────────────────┤ │ 高级语言 │ ← 编译程序翻译 ├──────────────────┤ │ 汇编语言 │ ← 汇编程序翻译 ├──────────────────┤ │ 操作系统 │ ← 管理硬件资源 ├──────────────────┤ │ 指令集架构(ISA) │ ← 软硬件交界面 ├──────────────────┤ │ 微程序机器 │ ← 硬件层 ├──────────────────┤ │ 数字逻辑电路 │ ← 最底层 └──────────────────┘

ISA（Instruction Set Architecture，指令集体系结构）：是软件和硬件之间的界面。ISA规定了：

• 指令格式、指令类型、操作类型
• 操作数的类型、存取方式
• 寄存器的种类和数量
• 数据类型、寻址方式
• 中断机制等

🗣️ 大白话：ISA就像"约定好的暗号"——硬件团队和软件团队各干各的，但双方约定好：你发什么暗号（指令），我就做什么动作。只要暗号不变，硬件随便换（比如不同厂家的x86 CPU），软件照样能跑。

📝 2024年真题：ISA规定了以下哪个？ → 定长指令字。ISA规定了指令格式、寻址方式、寄存器等，不规定具体电路实现（如阵列乘法器、微程序控制器、单总线数据通路）。

二、编译程序与解释程序

翻译方式	工作方式	特点
编译程序	将高级语言源程序整体翻译为机器语言目标程序，然后执行	执行时不需要源程序，速度快
解释程序	逐条翻译、逐条执行	不产生目标程序，每次运行都需要源程序，速度慢

🗣️ 大白话：编译就像把整本英文小说翻译成中文再看；解释就像请个翻译坐旁边，他读一句英文就给你翻译一句。

三、指令、微指令、微操作的层次关系

概念	层级	说明
机器指令	最高层	CPU能直接识别并执行的指令（如ADD、MOV）
微程序	中间层	一条机器指令对应一个微程序
微指令	—	微程序中的每一步，一条微指令可以完成一个或多个微操作
微操作	最底层	最基本的不可再分的操作（如 PC→MAR）

📝 2024年真题：CPU能直接理解并执行的是？ → 微指令和机器指令（选B）。伪指令是汇编语言层面的，汇编指令需要汇编器翻译。

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1.5 计算机的性能指标

一、CPU性能指标

指标	定义	公式
CPU主频（时钟频率）	CPU内部时钟的振荡频率	$f = \frac{1}{T}$（T为时钟周期）
CPI	Clock cycles Per Instruction，执行每条指令平均所需的时钟周期数	—
IPC	Instructions Per Clock cycle，每个时钟周期执行的指令数	$IPC = \frac{1}{CPI}$
MIPS	Million Instructions Per Second，每秒执行百万条指令	$MIPS = \frac{f}{CPI \times 10^6}$
MFLOPS	每秒百万次浮点运算	—
CPU执行时间	CPU执行某段程序所需的时间	$T_{CPU} = \frac{指令条数 \times CPI}{f} = 指令条数 \times CPI \times T$

🗣️ 大白话：

• 主频就像你心跳的速度，"滴答"得越快，干活的节奏就越快。
• CPI就像每做一件事平均要"滴答"几下。简单的事1下就够，复杂的事可能要10下。
• MIPS就像"每秒能做多少件事"。
• 所以：干活时间 = 事情总数 × 每件事要滴答几下 × 每次滴答多长时间。

⚠️ 常见陷阱：

1. 主频高 ≠ 速度一定快（还要看CPI，一条指令需要的周期数可能更多）
2. MIPS不能准确反映性能（不同指令的功能强弱不同，一条x86指令可能完成ARM多条指令的功能）
3. CPI取决于指令类型的混合比例——不同程序的CPI不同

📝 2010年真题：下列选项中，能缩短程序执行时间的措施是？

• Ⅰ. 提高CPU时钟频率 ✅（f增大 → 时钟周期T减小 → 执行时间减小）
• Ⅱ. 优化数据通路结构 ✅（可减少CPI）
• Ⅲ. 对程序进行编译优化 ✅（可减少指令条数或选择CPI更小的指令）
• 答案：D. Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ

📝 2011年真题：描述浮点数操作速度的指标是？ → D. MFLOPS（Million Floating-point Operations Per Second）。MIPS描述定点运算速度，CPI是每条指令的时钟周期数，IPC是每周期指令数。

二、整机性能指标

指标	定义
机器字长	CPU一次整数运算能处理的二进制数据的位数（通常等于内部寄存器的位数）
指令字长	一条指令的二进制位数（可以等于或大于机器字长）
存储字长	一个存储单元存储的二进制位数
数据通路带宽	数据总线一次能传送信息的位数
主存容量	主存能存储的最大信息量 = 存储单元个数 × 存储字长

⚠️ 易混淆概念：

• 字节（Byte）= 8 bit，这是固定的
• 字（Word）= 机器字长的位数，不同计算机可能不同（16位机的"字"=16bit，32位机的"字"=32bit）
• 按字节编址：每个地址对应1个字节（8bit）
• 按字编址：每个地址对应1个字

📝 性能指标综合计算例题：

2009年真题（大题）：某计算机的CPU主频为500MHz，CPI为5。某外设数据传输率为0.5MB/s，采用中断方式与主机进行数据传送，以32位为传输单位，中断服务程序包含18条指令，中断服务的其他开销相当于2条指令的执行时间。

（1）中断方式下，CPU用于该外设I/O的时间百分比是多少？

解：

• 每条指令执行时间 = CPI × T = 5 × (1/500MHz) = 10ns
• 每次中断处理时间 = (18+2) 条指令 × 10ns = 200ns = 0.2μs
• 每秒中断次数 = 0.5MB/s ÷ 4B = 125,000次/s
• CPU用于I/O的时间占比 = 125,000 × 200ns / 1s = 2.5%

（2）改用DMA方式，每次传送5000B，DMA预处理和后处理总开销为500个时钟周期，CPU时间百分比？

解：

• 每秒DMA次数 = 5MB/s ÷ 5000B = 1000次/s
• 每次DMA的CPU开销 = 500个时钟周期 × (1/500MHz) = 1μs
• CPU用于I/O的时间占比 = 1000 × 1μs / 1s = 0.1%

💡 对比：中断方式CPU开销2.5%，DMA方式仅0.1%。这说明DMA方式CPU效率远高于中断方式，这就是为什么磁盘等高速设备要用DMA。

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📌 第一章 小结

考点	重要程度	常见题型
冯·诺依曼体系5大特点	⭐⭐⭐	选择题
区分指令和数据的方法	⭐⭐⭐	选择题
各寄存器（PC/IR/MAR/MDR）功能	⭐⭐⭐⭐	选择题
CPU执行时间/MIPS/CPI计算	⭐⭐⭐⭐	选择题、大题计算
程序员可见/不可见寄存器	⭐⭐⭐	选择题
ISA的定义与作用	⭐⭐	选择题
编译程序 vs 解释程序	⭐⭐	选择题

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