计算机系统概述

了解计算机系统的整体构成，分清硬件与软件；掌握冯·诺依曼体系核心思想；熟悉计算机五大硬件部件与总线的作用，建立整机宏观认知。

1.1 计算机系统：硬件与软件

完整计算机系统由 硬件系统（Hardware） 和 软件系统（Software） 共同组成，二者相辅相成。

• 硬件 Hardware：看得见、摸得到的物理器件，是程序运行的物质基础。没有硬件，软件无处运行。
• 软件 Software：程序、数据及相关文档的集合，用来控制硬件完成计算任务。只有硬件而没有软件的计算机称为裸机（Bare Machine），无法自动完成实用任务。

软件又分为两大类：

1. 系统软件 System Software：管理计算机本身，例如操作系统、驱动程序、固件。
2. 应用软件 Application Software：面向用户的业务程序，例如浏览器、办公软件、设计工具。

1.2 冯·诺依曼体系结构 Von Neumann Architecture

现代绝大多数通用计算机都基于冯·诺依曼架构，核心思想：

1. 计算机内部使用二进制 Binary 表示指令与数据；
2. 存储程序 Stored-program：程序和数据提前存入存储器；计算机可以自动读取、译码、执行指令，无需人工手动操作每一步；
3. 计算机由五大基础部件构成：
   • 运算器 ALU：完成算术、逻辑运算
   • 控制器 CU：指挥所有硬件协同工作
   • 存储器 Memory：保存指令和数据
   • 输入设备 Input Device：向主机传入信息
   • 输出设备 Output Device：向外输出处理结果

运算器 + 控制器 合称为 CPU（中央处理器）。

1.3 系统总线 System Bus

各个硬件部件依靠总线来交换信息，系统总线分为三类：

• 地址总线 Address Bus：传输存储单元地址，定位数据位置
• 数据总线 Data Bus：传输指令与运算数据
• 控制总线 Control Bus：传递读写、中断等控制信号

1.4 计算机工作流程

计算机运行程序的简化流程：

1. 通过输入设备将程序与数据送入存储器保存；
2. CPU 从存储器依次取出指令；
3. 控制器解析指令，发出控制信号；
4. 运算器完成对应运算；
5. 结果保存到存储器，最后由输出设备展示。

1.5 计算机性能指标简介

评价计算机性能，常见指标：

• 主频 Clock Frequency：CPU 时钟信号频率，反映硬件基础节拍；
• CPI（Cycles Per Instruction）：执行一条指令所需时钟周期数；
• 吞吐量 Throughput：单位时间内系统能够处理的任务总量；
• 存储容量 Memory Capacity：存储器能够保存的数据大小。

注意：主频不是衡量性能的唯一标准，架构、Cache、流水线同样会大幅影响实际运行速度。

本课小结

计算机系统 = 硬件 + 软件。冯·诺依曼存储程序思想奠定现代计算机基础。五大硬件部件通过总线互联，CPU 不断重复取指、译码、执行的循环来运行程序。硬件设计始终在速度、容量、功耗与成本之间做权衡。

思考练习

1. 简述硬件与软件的关系，什么是裸机？
2. 冯·诺依曼计算机五大部件分别是什么？
3. 系统总线分为哪三类，各自作用是什么？