计算机系统概述
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计算机发展历程
- 电子管计算机：第一代计算机，体积大、功耗高、运算速度慢，但开创了计算机时代。
- 晶体管计算机：第二代计算机，体积减小、功耗降低、速度提高，可靠性增强。
- 集成电路计算机：第三代计算机，将多个晶体管集成在一个芯片上，性能进一步提升。
- 大规模和超大规模集成电路计算机：第四代计算机，使计算机走向微型化、智能化、高性能化。
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计算机系统组成
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硬件系统：包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备等。CPU 是计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。存储器用于存储程序和数据，分为主存储器（内存）和辅助存储器（如硬盘、光盘等）。
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软件系统：分为系统软件和应用软件。系统软件如操作系统、数据库管理系统等，用于管理和控制计算机资源；应用软件则是为解决特定问题而编写的程序，如办公软件、游戏软件等。
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数据的表示与运算
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数制与编码
- 二进制、八进制、十进制、十六进制之间的转换。二进制是计算机内部使用的数制，通过位权展开法等方法可以实现不同数制之间的转换。
- 原码、反码、补码：计算机中用补码表示带符号整数，可简化加减法运算。正数的原码、反码、补码相同；负数的补码是在其反码基础上加 1。
- 字符编码：如 ASCII 码用 7 位二进制表示 128 个字符；Unicode 编码用于表示世界上多种语言的字符。
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定点数与浮点数运算
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定点数运算：包括定点整数和定点小数的加减乘除运算。运算时要考虑数值范围、溢出处理等问题。
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浮点数表示：由阶码和尾数组成，可表示更大范围的数值。浮点数运算包括对阶、尾数运算、规格化、舍入处理等步骤。
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存储系统
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存储器层次结构
- 高速缓冲存储器（Cache）：位于 CPU 和主存之间，速度快但容量小，用于存储近期可能会被频繁访问的数据，提高 CPU 访问数据的速度。
- 主存储器：存放正在运行的程序和数据，采用随机存取方式。
- 辅助存储器：如硬盘、U 盘等，容量大、速度相对较慢，用于长期存储数据。
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存储管理
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存储单元的编址与寻址方式：通过地址线对存储单元进行编址，CPU 根据寻址方式找到相应的存储单元。
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虚拟存储器：利用硬盘等辅助存储器空间，为用户提供比实际物理内存更大的内存空间，通过页表等机制实现地址映射和数据交换。
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中央处理器（CPU）
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CPU 的功能与组成
- 运算器：进行算术运算和逻辑运算，如加法器、ALU（算术逻辑单元）等部件。
- 控制器：负责指令的读取、译码和执行控制，包括指令寄存器、程序计数器、时序产生器等。
- 寄存器组：用于暂存数据、地址和指令等信息，提高 CPU 的运行效率。
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指令系统
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指令格式：包括操作码和操作数地址等字段。操作码规定了指令的操作类型，操作数地址指示了操作数的存储位置。
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指令类型：数据传送指令、算术逻辑运算指令、移位指令、控制转移指令等。
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CISC 与 RISC：复杂指令集计算机（CISC）指令系统丰富但指令执行效率相对较低；精简指令集计算机（RISC）指令简单、执行速度快。
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总线与输入输出系统
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总线系统
- 总线的概念与分类：总线是计算机各部件之间传输信息的公共通道。按传输信息类型分为数据总线、地址总线和控制总线；按所处位置分为片内总线、系统总线和通信总线。
- 总线仲裁：解决多个设备同时申请使用总线的冲突问题，常见的仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁。
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输入输出系统
- I/O 接口：连接外部设备与主机，实现数据缓冲、信号转换、设备选择等功能。
- I/O 控制方式：包括程序查询方式、中断方式、DMA（直接存储器访问）方式等。程序查询方式 CPU 利用率低；中断方式可提高 CPU 效率；DMA 方式适用于高速数据传输，可直接在内存和外设之间传输数据。
（以上内容来自“豆包”大模型）
