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一、冯诺依曼体系
1945年，冯诺依曼提出 EDVAC 方案。
冯诺依曼体系的三大核心思想：
- 计算机中采用二进制形式来表示信息；
- 采用存储程序的工作方式 —— 冯诺依曼体系最为核心的思想；
- 计算机硬件系统由五大部件组成：存储器、运算器、控制器、输入和输出设备。
下面将针对上述三大思想进行介绍。
1. 信息的数字化表示
- 在计算机中用数字代码表示各类信息
- 在物理机制上用数字信号表示数字代码
（1）在计算机中用数字代码表示各类信息
数字代码是指一组数字的集合，这里的数字代码通常指二进制数字代码。我们可以根据需要描述信息，用一组约定了含义的数字代码来表示它。
（2）在物理机制上用数字信号表示数字代码
计算机是一种复杂的电子线路，传递和处理的实际对象是电信号。
电信号分为两类：
- 模拟信号：是一种随时间连续变化的电信号，如电流信号、电压信号等。
- 数字信号：是一种在时间上或空间上断续变化的电信号，如电平信号和脉冲信号。
单个数字信号只取两种状态，如电平的高或低、脉冲的有或无，这样可以用两种状态分别表示数字代码 1 和 0 ，称为二值逻辑。
电平信号：
- 电平信号利用信号电平的高、低状态表示不同的代码，所以电平信号通常需要一段有效维持时间。
- 每个电平信号各占用一根信号线，因而这一组信号在空间上的分布是离散的。
- 在计算机中，常用电平信号表示并行传送的信息，如用若干信号线同时传输数据、地址或其它信息的编码。
脉冲信号：
- 与电平信号不同，脉冲信号的电平维持时间很短。
- 由于脉冲信号在时间上的分布是离散的，因此可以用一根信号线发出一串脉冲信号 —— 串行操作。
2. 存储程序的工作方式
① 根据求解问题事先编写程序。
② 事先将程序送入计算机。
用户用某种编程语言编写的程序称为源程序，它是由字符组成的，计算机不能识别。因此，需要通过编译器将源程序转换为二进制代码，保存在存储器中。这时的程序还不是指令代码，不能被计算机执行，需进一步被转换为机器指令序列。所以，事先编写的程序最终将变为指令序列和原始数据，并被保存在计算机中，提供给计算机执行。
③ 计算机自动、连续地执行程序。
Q：指令和数据都是以二进制代码的形式存放在存储器中的，那么计算机如何区分它们？又如何自动地从存储器中读取指令呢？
A：① 将指令和数据分开存放。由于在多数情况下，程序是顺序执行的，因此大多数指令需要依次相邻存放，而将数据放在该程序区中不同的区间。② 设置程序计数器 PC，用它存放当前指令所在的存储单元的地址。依靠 PC 的指示，计算机就能自动地从存储器中读取指令，再根据指令提供的操作数地址读取数据。
- 如果程序顺序执行，则在读取当前指令后将 PC 的内容加 n，指示下一条指令的地址。
- 如果程序要进行转移，则将转移目标地址送入 PC，以便按照转移地址读取后续指令。
3. 计算机的五大部件
计算机硬件系统一般以运算器或控制器为中心。
（1）CPU
CPU 是计算机硬件系统的核心部件，CPU 的主要功能是 读取并执行指令。
CPU 由运算器、寄存器组、控制器组成：
- 运算器：完成 算术运算（定点运算、浮点运算）和逻辑运算。
- 寄存器组：用来存放 数据信息和控制信息。
- 控制器：提供整个系统工作所需的各种 控制信号 —— 微命令。
三者通过 CPU 内部的总线相互交换信息。
定点的点指的是小数点的点；计算机中没有用硬件实现小数点的存放。
从主存中取操作数，把操作数送入寄存器中，然后再进行使用。
最小到不可再分割的控制信号 —— 微命令。
（2）存储器
存储器用来存储信息，包括程序、数据、文档等。
存储器主要分为 缓存、主存和外存 三级存储体系。
主存：用来存放 CPU 需要使用的程序和数据。
主存的每个存储单元都有固定的地址，CPU 可以按地址直接访问它们。
主机 = CPU + 主存
外存：用来存放大量的需要联机保存但 CPU 暂不使用的程序和数据。
CPU 并不直接按地址访问它们，而是按文件名将它们从外存调用主存。
Cache 高速缓存：用来存放 CPU 当前正在使用的程序和数据。
- Cache 从主存中加载数据的策略
- Cache 的地址与主存某一区间的地址相映射
（3）输入和输出设备
键鼠、显示器、打印机 …
（4）总线和接口
a. 总线
是一组能为多个部件分时共享的信息传输线，分为三大类：
- 地址总线
- 数据总线
- 控制总线
统称为 系统总线。
注意：任意时刻只能允许一个部件或设备通过总线发送信息，否则会引起信息的碰撞；但允许多个部件同时从总线上接收信息。（当然不同类别的总线之间是互不影响的）
b. 接口
计算机各大部件的互连结构
（1）单总线结构
（2）以CPU为中心的双总线结构
（3）以存储器为中心的双总线结构
（4）多总线结构
二、计算机系统的组织
计算机系统由硬件系统和软件系统组成。
1. 计算机硬件系统
前面已进行介绍。
2. 计算机软件系统
（判断题/选择题）C是编译方式；Python是解释方式；Java的既是编译方式也是解释方式。
3. 计算机系统的层次结构
三、计算机系统的性能指标
1. 基本字长/机器字长
是指处理器中参加一次 定点运算 的操作数的位数。
- 影响着计算的精度、指令的功能、硬件的成本
- 反映了CPU寄存器、运算部件和内部数据总线的位数
Q：“反映了 CPU 寄存器、运算部件和内部数据总线的位数”？
A：在一次运算过程中，操作数和运算结果通过数据总线，在寄存器和运算部件之间传输。
2. 外频
外频、外部频率、基频、系统时钟频率，是指主板上的振荡器输出的时钟频率。
是计算机中一切硬件部件工作所依据的基准时钟信号，它经过倍频系数放大后用作计算机各部件的工作频率。
3. 运算速度
（1）CPU 主频 = 外频 × 倍频系数
CPU 的主频（f）是指 CPU 内核的工作频率。
（2）IPS（Instructions Per Second）
CPU 平均每秒执行指令的数量。
（3）CPI（Clock cycles Per Instructions）
CPI = 程序的时钟周期总数 / 程序的指令总数
CPU 执行程序时，平均每条指令所需的时钟周期数。
（4）FLOPS（Floating-point Operations Per Second）
CPU 每秒执行浮点运算的次数。
4. 存储容量
（1）主存容量
主存容量 = 可编址的存储单元个数 × 存储单元的位数（宽度）
- 主存的最大可编址单元数（即编址空间）是由地址线的位数决定的
- 存储单元的位数/宽度 —— 主存的编址单位
（2）外存容量
操作系统一般通过虚拟存储技术管理外存，因此外存的有效容量取决于存储器自身，而与地址总线的位数无直接关系。
外存容量常表示为字节数，如 GB 和 TB 。
今天的文章计算机系统详解_单片机系统分享到此就结束了，感谢您的阅读。
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