文章目录第一章计算机系统概述一、计算机发展历程二、计算机系统 结构1、计算机系统有大概的两个组成2、冯·诺依曼机思想3、计算机结构4、存储器**1简单内部结构**2存储体3各种【“字长”】的混淆理解4MAR、MDR的位数、主存空间计算5存储器层次结构6相联存储器5、运算器6、控制器7、一条指令到底是怎么执行的流程三、计算机系统层次结构1、三大级别语言2、翻译程序3、两种程序编译执行的过程不同4、计算机软件第一章计算机系统概述一、计算机发展历程第一代电子管时代第二代晶体管时代第三代中小规模集成电路时代第四代超大规模集成电路时代就这么记就行了很少考你历程这些细节的。二、计算机系统 结构1、计算机系统有大概的两个组成首先记住这句话【计算机系统 软件 硬件】为什么这么记后面解释。还有一句话很重要软件跟硬件在逻辑上都是**等价地位**的。相同的功能其实硬件也能完成、软件也能完成只不过它两各有各的优点软件更灵活便捷、硬件时效更高缺点就是软件时效没有硬件快复杂的硬件造价成本高。所以简单一句话【当要用一个频繁要复用的功能硬件造价成本相对又不是很高的话可以优先选硬件否则就选软件。】例题以下说法错误的是 A、硬盘是外部设备B、软件的功能与硬件的功能在逻辑上是等价的C、硬件实现的功能一般比软件实现具有更高的执行速度D、软件的功能不能用硬件取代※ D - 硬件更快软件更灵活当造价成本不高、反复执行一个功能时硬件可以代替软件2、冯·诺依曼机思想冯·诺依曼机很重要他的计算机思想奠定了现代计算机的基本结构。主要是这么几个特点采用 “存储程序” 的工作方式计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。运算器控制器叫“CPU”输入设备输出设备叫“I/O设备”【指令】、【数据】具有同等地位形式相同都是以二进制形式存在计算机里【指令】又分为【操作码】和【地址码】【操作码】是要干什么【地址码】是数据是什么以运算器为中心注意但是在冯诺依曼机时代确实是以【运算器】为中心但是现代是以【存储器】为中心了这里以我个人理解来解释这几个专业术语1、【存储程序】思想就是将原始程序和数据先存入计算机里然后程序执行时无需人工操作计算机自动按照【按地址寻找访问数据并按顺序自动执行指令】的规则运行程序。2、【指令】与【数据】具有同等地位的存在计算机存储器里都是二进制虽然我们可能分辨不出来但是计算机能分辨出哪些是【指令】哪些是【数据】3、【指令】又分【操作码】跟【地址码】**【操作码】就是这个指令要计算机干什么【地址码】就是读取数据的地址。**比如下图第一条指令【操作码】就是【读数】【地址码】就是【去地址5的地方取a2这个数据】例题1冯诺依曼机的基本工作方式 A A、控制流驱动方式 √ —— 翻译人话按顺序执行指令按指令执行程序对B、多指令多数据流方式 × —— 不知道是啥直接不管C、微程序控制方式 × —— 不知道是啥直接不管D、数据流驱动方式 × —— 翻译人话按数据来执行程序错数据是被动存在存储器的由指令操控2下列是冯诺依曼机的工作特点的是 B A、多指令流单数据流 × —— 不存在不知道是啥玩意B、按地址访问并顺序执行指令 √ ——【按地址寻找访问数据并按顺序自动执行指令】C、堆栈操作 × —— 跟题目没关系D、存储器按内容选择地址 × —— 存储器的特点跟冯诺依曼机整体没关系345408考验真题3、计算机结构大概由这几部分组成【输入设备】【运算器】【存储器】【控制器 】【输出设备】然后【运算器】【控制器】【CPU】【输入设备】【输出设备】【I/O设备】存储器又分为【主存储器】跟【辅助存储器】其中【主存储器】简称【主存】位于计算机内部所以也称为【内存】是计算机的临时存储设备用于存储当前正在处理的数据和程序。当一个程序运行时就是放在内存里运行【辅助存储器】也称为【外存】用于长期存储数据速度相对较慢但非易失性断电后数据不会丢失。当一个程序、一些数据暂时用不到的时候就是放到外存等要用了再放到内存辅存(外存)主要包括**内置磁盘**如内置在计算机内部的机械硬盘HDD或固态硬盘SSD。**外置磁盘**如外置硬盘、U盘、光盘、软盘等。小例子而【固态硬盘】对应的是【存储】的大小也就是为什么固态硬盘会有几TB的庞大容量【辅存】的作用就是长期永久的存储速度相对较慢但非易失性断电后数据不会丢失I/O设备分为【输入设备】和【输出设备】【输入设备】就是键盘鼠标、摄像头、扫描仪之类的 “将程序、数据转化成计算机所能接受并认识” 的外部接入设备【输出设备】就是音响、打印机、显示器这些 “将计算机处理的结果变成人能理解的” 外部设备那么注意这里的一个点【辅助存储器外存储器】可以当作【输入设备】也可以当作【输出设备】总之就是属于【I/O设备】然后【I/O设备】就是【外部设备】。例题完整的**计算机系统**应该包括 D A、运算器、存储器、控制器 × —— 这只一个是【主机】的结构B、外部设备和主机 × —— 这只是【计算机系统硬件部分】的结构C、主机和应用程序 × —— 还有【软件系统和I/O设备】呢D、配套的硬件设备和软件系统 √ —— 我开头那句话【计算机系统 软件 硬件】4、存储器1简单内部结构存储器的内部结构简单来说就是【存储体】【MAR地址寄存器】【MDR数据寄存器】抽象理解【数据、指令】全都在【存储体】里计算机取【指令、数据】时就要拿“取件码”去存储器先找【MAR地址寄存器】“店员”给他看取件码让他去取货然后【MAR地址寄存器】“店员”把货物放到【MDR数据寄存器】“柜台”计算机再去那里取走。注意这里有个重要的点虽然MAR、MDR是【存储器】里的部件但是现代计算机中MAR、MDR也可以存在于CPU里了。2存储体然后有个大概了解之后重点是对一些存储体的【单位】的理解【存储体】里有很多【存储单元】【存储单元】有很多 “存储元件”里面可以存二进制“0”和“1”因此【存储单元】可以存一长串二进制代码这么一串二进制代码就是【存储字】这串二进制代码的位数就是【存储字长】。【存储字长】通常就是一字节、或者一字节的偶数倍(8bit或者8bit的偶数倍)。注意二进制代码的位数、存储字的位数不是指这个二进制代码有几位数而是一个代表大小的单位计算机里最小单位是bit比特位【一个字节】就是【8bit】8个比特位【bit】可以写成b、bit【一个字节】可以写成1B、1Byte(1B 8b \ 1B 8bit \ 1字节 8b \ 1字节 8bit \ 1Byte 8b \ 1Byte 8bit)【一个字】不等于【一个字节】【一个字】的大小取决于不同的计算机结构3各种【“字长”】的混淆理解**重点**区分【机器字长 \ 字长】、【存储字长】、【指令字长】【机器字长 \ 字长】和【地址总线字长】当有人这么说“一个**N位的计算机以M位**来表示地址”要区分这个N位跟M位是啥【N位】是指计算机的【机器字长简称“字长”】而【字长】就是【CPU内部用于计算整数运算的**数据通路的宽度】也就是【一次能处理多少位的数据】CPU、数据总线、内存地址的设计跟它有关。(CPU的运算器里的【ALU位数】和【通用寄存器宽度】和【机器字长】一样)**【M位】就是这个计算机的【地址总线的宽度】也就是【地址总线字长】 那么我们前面说过计算机是根据【地址】来寻找数据的数据可以有无数种但是【地址空间】就固定那么几个你的地址码有N位那么【存储器的存储体】里就要有**2的N次方个【地址空间】也叫【地址码长度】。 这么说可能有点懵这么解释吧这个【N位】也就是【字长】就是一个马路有多宽一次能过多少载具【存储体】就是一个小区【M位】也就是【地址码的字长**】就是一个小区的门牌号假设这个小区的门牌号是N位的只用0跟1来组合那不就是得准备2的N次方种组合的门牌号嘛也就代表小区有2的N次方个商品房。【指令字长】就是一个【指令的二进制代码的位数】一般是【存储字长】的整数倍【指令字长】是【存储字长】的几倍就需要几个周期来取出一个指令如果相等则取指令周期就是一个机器周期。【存储字长】【存储字长】就是一个【存储单元有多大】通常是字节的倍数例题一个8位的计算机以16位来表示地址那么这个计算机系统要有 B 个地址空间A、2的8次方 ×B、2的16次方 √4MAR、MDR的位数、主存空间计算1、MDR【MDR位数 存储字长】【MDR位数】就相当于【一个存储单元的大小】虽然【存储单元】是【存储体】里的东西但是请看下图前面我们说了【MDR】是用来【存数据】的【存储体】里的数据被MAR取出来之后是要放到MDR那的那么你MDR就必须得有存储体里一个存储单元的大小。这么说吧你一个货架隔间能放一个货物那你柜台也至少能放得下一个货物不然从一个货架隔间取出的一个货物怎么放下到柜台那2、MAR【MAR的位数 能处理N位的二进制代码】这里的N位就是字面意思xx就是2位xxxx就是4位…【MAR的个数 0和1能凑成几种N位二进制代码 2的N次方】比如MAR位数是2那就能凑出【00、01、10、11】“2的2次方 4种”可能位数是3就能凑出【000、001、011、111、100、101、010、110】“2的3次方 8种”可能为什么呢因为【MAR】是用来【存地址码】的这么解释还是假设【存储体】是一个小区那么前面我们举例子小区有2的N次方个商品房那么【MAR】就相当于这个小区的门牌号记录本、或者就是装所有门牌号的一个箱子那有2的N次方个商品房不久对应要有2的N次方个门牌号吗。3、主存容量【主存容量】【有几个存储体】【一个存储体可存几位二进制数】【2^MAR位数】 * 【MDR位数】【地址码长度】【存储字长】另外区分一下【地址总线字长】和【地址码长度】…等等的这些关系尤其记住**【MAR】不等于【MAR位数】这是两个概念**已知【MDR位数 存储字长】【MAR个数 有几个存储单元】那么【存储体容量】【MAR个数】*【MDR位数】而【MAR个数 2的MAR位数次方】所以【存储体容量】【2的MAR位数次方】*【MDR位数】例题MAR和MDR位数分别为 A A、地址码长度、存储字长 √B、存储字长、存储字长 ×C、地址码长度、地址码长度 ×D、存储字长、地址码长度 ×重点有的题目会涉及到216、 220这么大的数我们算不出来就懵逼了但是其实我们要回单位换算5存储器层次结构存储器其实还分为【缓存 -主存】、【主存-辅存】两层【缓存-主存】层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题速度接近缓存【主存-辅存】层次主要解决存储系统的容量问题容量接近与价位接近于辅存那么可以发现【寄存器】在【存储器】中有在【CPU】中也有那么既然【寄存器】就是在CPU内的所以它对CPU的存取速度最快然后是缓存【Cache】它采用高速SRAM制作对CPU的存取速度次快最后是【内存】常用DRAM制作相对于CPU的存取速度最慢但是它保证容量够大。总结对CPU的存取速度快慢【寄存器】【Cache】【内存】6相联存储器相联存储器也称为关联存储器或缓存是计算机体系结构中的一种存储器类型用于提高计算机系统的性能。它既可以按照地址寻址、又可以按内容通常是某些字段寻址与传统存储器区别。5、运算器运算器主要就4个组成部分【ALU算术逻辑单元】【ACC累加器】【MQ乘商寄存器】【X通用寄存器】当然还有很多别的寄存器其中就一个比较重要的寄存器是【PSW状态寄存器】又叫标志寄存器还是建议大家记一下英文全称ACCAccumulate、MQMultiplier-Quoetitent Register 、ALUArithmetic And Logic Unit【ALU算术逻辑单元】最后进行运算的最重要【ACC累加器】暂存一些乘积高位、被加数、被减数、被除数、和、差、余数结果一般都存ACC这【MQ乘商寄存器】乘积低位、商【X通用寄存器】ACC或MQ这些寄存器要存放下一个数的时候就先把数放它这个【数据总线】记住运算器还包括了数据总线6、控制器主要由三部分组成【CU控制单元】【IR指令寄存器】【PC程序计数器】还是建议大家记一下英文全称CUControl Unit、IRInstruction Register、PCProgram Counter【PC程序计数器】跑腿的一条指令执行完就自动去找下一条指令的地址并存到IR那里有自动【1】的功能就像朝廷里跑腿的信差。这也符合了前面“存储方式”的【按顺序执行指令】【IR指令寄存器】接收【指令】并保存将【指令】拆成【操作码】和【地址码】【操作码】给CU分析这是这么指令【地址码】给存储器的MAR找到数据像干杂活的大臣。【CU控制单元】分析【IR指令寄存器】给的【操作码】是啥意思然后时机到了就给出【控制信号】控制各个部件的各项工作。7、一条指令到底是怎么执行的流程以这个表作为例子首先PC跑腿到【存储器】找【指令】去了PC拿着“取件码”按顺序自动获取的指令的地址去【存储器】找“快递员”MAR帮取指令取出来的指令先放“驿站柜台”MDR处再通知IR过来“取货”这就完成了【取指令】【取指令】步骤写成专业术语就是PC —— MAR —— M —— MDR —— IR 或 (PC) —— MAR M(MAR) —— MDR (MDR) —— IR这里()代表这个设备携带着数据但是在表示数据流通的过程时其实可以省略()除了运算不能省略比如 PC 自动1执行下一条指令时要写 (PC)1而不是PC1接下来IR就要把【指令】拆分成【操作码】和【地址码】【操作码】拿给【CU】去分析 “这个指令是什么意思”分析出是“取数a到ACC”完成【分析指令】【地址码】去拿给MAR接着找数据MAR找到数据之后就还是老样子给到MDR存放但是刚刚当【CU】分析完指令后这次MDR就不是给IR了而是应该把数据给运算器的ACC了因为IR只会取【指令】然后到【控制器】那边分析指令而ACC才是取【数据】回【运算器】那执行指令MDR叫ACC过来“取货”开始【执行指令】。【分析指令】步骤专业术语OP(IR)[option] —— CU【执行指令】步骤专业术语AD(IR) —— MAR —— M —— MDR —— ACC或 AD(IR) —— MAR M(MAR) —— MDR (MDR) —— ACC接下来(PC)1到下一条指令还是大致走一遍上面的流程然后这时候已经获得a2b3这两个数据了要执行a*b这个操作了轮到【运算器】登场刚刚【ACC】已经获得了a2那等会因为所有的【计算结果】他还需要再去接收也就是a*b的结果那就得先把a2给【x通用寄存器】然后第二个数据b3其实是【MQ】去“取货”的因为【ACC】取乘积高位【MQ】取低位所以现在MQ装着a2、x装着b3然后【CU】开始控制运算器干活了它下命令让【ALU】开始运算了【ALU】无奈只好把装着数据的【MQ】跟【X】强行交合融合就是相乘…最终得到【ab 23 6】然后把结果给到【ACC】一切结束。专业术语就是ACC —— XCU —— ALUALU —— MQ与X运算ALU —— ACC结果运算器的细化总结第二大点的例题1、存放当前执行指令的寄存器是 D A、MAR ×B、PC ×C、MDR ×D、IR √ —— IR指令寄存器专门去MDR取指令存放除此之外还要拆分指令成【操作码】和【地址码】2、CPU不包括 C A、地址寄存器 √ —— MAR前面说了MAR、MDR都可以才CPU里也有B、指令寄存器 √ —— IR控制器里的东西控制器属于CPUC、地址译码器 × —— 它是主存里的东西既不是MAR也不是MDR就是不属于CPUD、通用寄存器 √ —— X运算器的东西运算器属于CPU3、CPU组成中不包括 C A、寄存器 √ —— 注意现代计算机中存储器、CPU里都有B、运算器 √C、存储器 ×D、控制器 √4、下列正确的是BC都对A、实际应用程序的测试结果能够全面代表计算机的性能 × —— 只在特定场景、特定负载下的局部性能表现但无法全面覆盖计算机性能的所有维度计算机的性能主要取决于字长、时钟周期、运算速度(CPU性能)、内存容量、存取周期尤其取决于运算能力(CPU性能)B、系列机的基本特性是指令系统向后兼容 √ —— 指时间上向后兼容新系统兼容老系统C、软件和硬件在逻辑功能上是等价的 √5、关于相联存储器下列说法正确的是 C A、只可以按地址寻址 ×B、只可以按内容寻址×C、既可以按地址寻址也可以按内容寻址 √D、上述说法都对 ×6、注意存【预执行指令的地址】的是【PC】三、计算机系统层次结构1、三大级别语言机器语言机器能看得懂能直接执行的语言就是0、1二进制代码汇编语言使用英文单词或英文单词缩写作为【助记符】方便人理解写完的代码翻译成机器语言后才能被机器运行高级语言我们现在学的C、C、JAVA…这些代码要先转成汇编语言然后由汇编程序传承机器语言才能被执行。那么需要记住的几个特点是机器只会【机器语言】除此之外任何语言他都看不懂其它语言都必须转成机器语言才能被机器执行所以机器只会直接执行机器语言。不管机器语言、汇编语言、高级语言【都能写出相同功能的东西】因为本质就是一个操控机器的语言而已只是有难有简单只要你够牛逼你用机器语言0跟1也能写出《黑神话·悟空》只不过你得有超人脑子跟几万年的寿命…汇编语言要直接翻译各种不同设备的机器语言因此要对应不同的设备的不同指令集所以**【汇编语言跟设备结构密切相关】**2、翻译程序【翻译程序】就是把高级语言程序转化成机器语言程序汇编程序也是一种翻译程序他把汇编语言翻译成机器语言。【翻译程序】里其实也分为编译程序跟解释程序两种解释程序你写好的代码程序按顺序一句一句翻译成机器指令并直接执行特点就是读一句干一件事比较慢也不会产生目标代码文件用一次翻译一次但是可以翻译成机器语言直接执行。常见的有java、JavaScript、shell、python…**编译程序**你写好的代码程序整个编译完后翻译成汇编语言或机器语言特点是这样比较快编译过后会产生目标代码文件或者叫可执行文件比如C语言产生的.exe文件编译一次以后可以不用编译直接执行。常见的有C、C、C#、Rust…3、两种程序编译执行的过程不同编译程序解释程序例题1、将高级语言源程序转换成可执行文件的主要过程是 A A、预处理 — 编译 — 汇编 — 链接 ——翻译程序里会产生可执行文件的只有编译程序而编译程序的顺序就是这样B、预处理 — 汇编 — 编译 — 链接C、预处理 — 编译 — 链接 — 汇编D、预处理 — 汇编 — 链接 — 编译2、将高级语言程序转成机器级目标代码文件的程序是 C A、汇编程序B、连接程序C、编译程序 ——翻译程序里会产生目标代码文件的只有编译程序D、解释程序4、计算机软件我们平时用的那些叫【应用软件】像windows、linux、max这些系统叫做【系统软件】