1. 独立的计算机部件

1.1 硬件系统

运算器(算术逻辑单元 ALU): 进行算术运算和逻辑运算。数据取自内存,结果送回内存。在控制器的控制下进行数据读写操作。

控制器:是计算机的神经中枢

  • 从内存取出指令
  • 向有关部件发出控制命令
  • 控制执行指令规定的功能

存储器:存放程序和数据

  • 分为内存和外存
    • 内存的特点:信息交流的中心,速度快,大部分内存不能长期保存信息,断电后信息丢失
    • 外存的特点:只与内存交换数据,速度慢,能长期保存信息,断电后信息不会丢失

输入设备:把用户所能接受的信息转换为二进制形式并存放到内存

  • 例如:键盘、鼠标、扫描仪、麦克风、磁盘驱动器、调制解调器

输出设备: 把内存中的二进制信息转换为用户所能接受的形式

  • 例如:显示器、打印机、绘图仪、磁盘驱动器、调制解调器

1.2 软件系统

1.2.1 系统软件

控制计算机运行,管理计算机的各种资源,并为应用软件提供支持和服务,包括:操作系统、语言处理程序

操作系统:控制、管理、维护计算机所有资源(包括硬件和软件)的软件

  • 是最基本的系统软件
  • 是现代计算机必备的软件

语言处理程序:计算机能直接识别执行的是机器语言

  • 汇编语言源程序需要汇编后才能识别执行
  • 高级语言源程序需要解释执行或者编译后生成目标程序,再识别执行

1.2.2 应用软件

为某一应用目的开发的软件

  • 可分为三大类:通用应用软件、用于专门行业的应用软件、定制的软件

2. 存储程序的概念

2.1 冯诺依曼体系结构

  • 内存单元存放数据和指令

  • 算术 / 逻辑单元对数据执行算术和逻辑运算

  • 输入单元把数据从外部世界转移到计算机

  • 输出单元把计算结果从计算机内部转移到外部世界

  • 控制单元确保其他部件都正常运作

内存

内存是存储单元的集合

每个存储单元都有唯一的物理地址

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可编址性

  • 内存中每个可编址位置存储的位数

    大多数计算机的可编址性都是 8 位

算术 / 逻辑单元

  • 执行算术运算和逻辑运算
    • 算术运算:加、减、乘、除
    • 逻辑运算:与、或、非

寄存器

  • 用来存储中间值或特殊数据的 CPU 上的一小块存储区域
    • 例如:2*(3+5),3+5 的结果是存储在寄存器中

输入单元:接收要存储在内存中的数据的设备

输出单元:一种设备,用于把存储在内存中的数据打印或显示出来,或者制作一个永久副本

指令寄存器:该寄存器存放当前正在执行的指令

程序计数器:该寄存器存放下一条要执行的指令的地址

CPU:由算术 / 逻辑单元和控制单元组成,用于解释和执行指令

控制单元:

  • 掌管着读取-执行周期
  • 两种寄存器
    • 指令寄存器(IR):存放正在执行的命令
    • 程序计数器(PC):存放下一条要执行指令的地址

工作原理:

2.2 读取-执行周期

2.2.1 处理周期中的四个步骤

  1. 读取下一条指令
  2. 译解指令
  3. 获取数据(如果需要)
  4. 执行指令

2.2.2 读取下一条指令

控制单元访问 PC 指定的内存地址,复制其中的内容并放入指令寄存器

将下一条指令的地址放入程序计数器中

2.2.3 译解指令

指令被译解为控制信号

2.2.4 获取数据(如需要)

从内存单元获取所需数据

2.2.5 执行指令

发送信号到算术 / 逻辑单元执行处理

2.3 RAM和ROM

2.3.1 RAM(随机存取内存)

每个存储单元都能被直接访问的内存

访问每个存储单元的本质是改写该单元的内容

2.3.2 ROM(只读内存)

ROM 中的内容不能更改,是永久性的,不能由存储操作更改

将数据存入 ROM 叫作“烧入”

2.4 二级存储设备

2.4.1 磁带

  • 类似于磁带录音机,通常用于备份磁盘数据

2.4.2 磁盘

  • 磁盘驱动器是 CD 播放器和磁带录音机的混合物
  • 读/写头能直接访问想得到的信息

2.4.3 磁盘结构

  • 磁道:磁盘表面的同心圆
  • 扇区:磁道的一个区
  • 块:存储在扇区中的信息
  • 柱面:所有磁盘表面的同心磁道的集合

2.4.4 存取时间与传输速率

  • 寻道时间:定位到指定磁道的时间
  • 等待时间:将扇区定位到读写头下的时间
  • 存取时间:寻道时间与等待时间之和
  • 传输速率:数据从磁盘传输到内存的速度

2.4.5 光盘

  • CD:用于存储声音信号轨道如音乐和歌的标准格式

  • DVD:用于存储高质量音视频和大容量数据的光盘

3. 非冯诺依曼体系结构

3.1 同步处理

用多个处理器把同一程序应用到多个数据集上

3.2 流水线加工

多处理器串联排列,每个处理器负责整个运算的一部分

3.3 共享内存

多处理器共享一个全局内存

不同的程序使用不同数据处理不同事物