第 1 章 计算机系统概述
本章地位：组成原理的开篇，直接考分以概念选择题为主（约 2～4 分），但性能指标计算是全卷必考的送分点——主频、CPI、MIPS、CPU 执行时间的「三公式互推」几乎每隔一两年就出一道小计算。真题最爱考三类：① 层次结构与透明性（最易错的概念题）；② 冯·诺依曼机的特点辨析（主机、CPU 的范围界定）；③ 性能指标计算与比较。本章把这三件事一次讲透，所有计算都代入具体数值逐步演算。
1.1 计算机系统层次结构
- 系统软件：管理整个计算机系统、贴近硬件的软件——操作系统、语言处理程序（编译 / 汇编 / 解释）、数据库管理系统、标准库程序；
- 应用软件：为解决用户的特定问题而编制——购物 App、办公软件、自己写的考研刷题程序。
② 软件与硬件在逻辑功能上等价，不等于「物理上相同」——判断题中「软硬件完全相同」「可以互相替换所以性能一样」都是错的；
③ 没有配置任何软件的计算机称为裸机，裸机之上第一层软件是操作系统。
判断下列说法的正误：(1) 数据库管理系统属于应用软件；(2) 编译程序属于系统软件；(3) 固件就是硬件，与软件无关。
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(1) 错：DBMS 管理整个系统的共享数据资源，贴近硬件层，属系统软件；用 DBMS 开发出的「学生成绩管理系统」才是应用软件。
(2) 对：语言处理程序（编译 / 汇编 / 解释）是典型的系统软件。
(3) 错：固件是固化在 ROM 中的微程序，本质是「装进硬件外壳的软件」，是软硬件逻辑等价的桥梁形态。
1.1.1 高级语言如何变成机器语言：编译与解释
| 对比项 | 编译方式 | 解释方式 |
|---|---|---|
| 翻译单位 | 整个源程序一次性翻译 | 逐句翻译、译一句执行一句 |
| 是否生成目标程序 | 生成完整目标程序，可反复运行 | 不生成目标程序 |
| 执行速度 | 快（翻译一次即可反复执行） | 慢（每次运行都要重新翻译） |
| 灵活性与可移植性 | 换平台须重新编译 | 便于移植与调试 |
| 代表语言 | C、C++ | Python；Java 先编译为字节码，再由 JVM 解释执行 |
下列关于编译与解释的叙述中，错误的是（ ）
A. 编译程序将高级语言源程序翻译为目标程序 B. 解释程序不生成目标程序 C. Java 程序先被编译为字节码，再由虚拟机解释执行 D. 同一程序解释方式的执行速度通常快于编译方式
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D。逐项分析：
A 对：编译的核心特征就是产出完整的目标程序；B 对：解释程序逐句「翻译 + 执行」，不留下目标程序；C 对：Java 是「编译 + 解释」结合的典型。
D 错：解释方式每次运行都要重新逐句翻译，开销重复发生，通常慢于编译方式——「解释快于编译」是反话，命题人最爱这么设错。
1.1.2 五级层次结构与透明性
- 第 5 级·高级语言机器——用编译 / 解释程序支撑，面向用户；
- 第 4 级·汇编语言机器——用汇编程序支撑；
- 第 3 级·操作系统机器——用广义指令（系统调用）支撑；
- 第 2 级·传统机器——机器语言指令集，硬件直接实现；
- 第 1 级·微程序机器——由微指令解释机器指令，硬件实现。
· 对微程序设计师：必须看清传统机器的一切，指令系统对它不透明；
· 对机器语言（汇编）程序员：微程序、数据通路、时序电路、运算器内部结构——透明；通用寄存器、程序状态字 PSW、指令系统——不透明（他要用指令直接操作它们）；
· 对高级语言程序员：除上述全部外，寄存器、中断、机器字长细节、I/O 接口——统统透明（C = a + b 根本不让他关心用哪个寄存器）。
② 「对某层透明」说的是该层程序员观察不到，不是「机器里没有」；
③ 常考反问：指令系统对微程序设计师透明吗？——不透明，微程序的任务就是解释每一条机器指令。
对汇编语言程序员透明的是（ ）
A. 程序状态字寄存器 PSW B. 通用寄存器组 C. 微程序控制器 D. 变址寄存器
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C。逐项分析：
A 不透明：PSW 中的条件码（进位、溢出、零标志）是汇编转移指令 JC / JZ 的依据，汇编程序员必须能感知；
B 不透明：MOV AX, BX 直接使用通用寄存器，程序员可见；D 同理，变址寻址要用变址寄存器，可见；
C 透明：微程序藏在第 1 级，机器指令如何被微指令解释，汇编程序员既看不见也无法干预。
套路总结：凡是「能用指令直接点名操作」的（寄存器、PSW、寻址方式）都不透明；凡是「机器自己悄悄干」的（微程序、数据通路、时序、Cache 对汇编层以下）都透明。
1.2 冯·诺依曼结构与工作原理 高频考点
1.2.1 存储程序思想与五大部件
- 由上述五大部件组成，以运算器为中心（输入输出经运算器完成，现已成为性能瓶颈）；
- 指令和数据以同等地位存放于存储器内，均可按地址访问；
- 指令和数据均用二进制表示；
- 指令由操作码（干什么）和地址码（对谁干）组成；
- 指令在存储器中按顺序存放，通常顺序执行，特定条件下根据运算结果改变执行顺序（转移指令）；
- 早期机器数值用定点表示（浮点机后出现）。
② CPU = 运算器 + 控制器，不含存储器；
③ 原始冯·诺依曼机以运算器为中心，现代机器以存储器为中心——判断题把两个时代说反是常见陷阱；
④ 指令和数据「同等地位存放」且形式都是二进制，机器靠取值的阶段（指令周期）区分它们，而不是靠编码长相（见例 3）。
冯·诺依曼计算机中，指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU 区分它们的依据是（ ）
A. 指令操作码的译码结果 B. 指令周期的不同阶段 C. 存放它们的存储单元类型 D. 二进制位串的长短
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B。逐项分析：
A 错：译码发生在取出之后，且取出的若本身是数据，谈不上译码——因果倒置；
B 对：取指阶段从存储器取出的二进制位串被当作指令送往 IR（指令寄存器）；执行阶段取出的才被当作数据送运算器。同一串 0/1，阶段不同身份不同；
C 错：指令和数据混存于同一主存，单元无类型之分；D 错：两者位数可以完全相同。
判断下列说法的正误：(1) 主机由 CPU、主存和磁盘构成；(2) 冯·诺依曼机以存储器为中心；(3) 存储程序是指把指令和数据预先存入存储器，机器按地址自动逐条取出并执行。
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(1) 错：主机 = CPU + 主存；磁盘是外存，属外围设备，不在主机之列。
(2) 错：原始冯·诺依曼机以运算器为中心；现代机器才改为以存储器为中心。题目若限定「现代机器」则对，默认语境（冯·诺依曼机）则错。
(3) 对：这正是「存储程序」的标准表述——先存后取、按地址访问、自动连续执行，缺一不可。
1.2.2 工作过程：取指 → 分析 → 执行
下列关于冯·诺依曼计算机的叙述中，错误的是（ ）
A. 指令和数据以同等地位存放于存储器，均可按地址访问 B. 指令由操作码和地址码组成 C. 指令只能按存放顺序执行，无法改变执行顺序 D. 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送大多经运算器
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C。逐项分析：
A 对、B 对：都是冯·诺依曼机的标准特点；D 对：这正是「以运算器为中心」的含义，也是现代机器改用「存储器为中心 + 总线」的原因。
C 错：指令通常顺序存放、顺序执行，但允许根据运算结果改变执行顺序（转移 / 跳转指令）——「只能顺序执行」把话说过头了；程序能有分支、循环、函数调用正依赖这一点。
1.3 计算机性能指标 必考计算
1.3.1 机器字长、数据通路宽度与主存容量
- 机器字长：CPU 一次能处理的二进制数据的位数，通常与 CPU 内部通用寄存器的位数一致。字长越长，一次参加运算的数越多，精度越高、速度越快；
- 数据通路宽度：数据总线一次可并行传送的二进制位数，决定部件间一次「搬运」多少位；
- 存储字长：一个存储单元中存放的二进制代码的位数（由 MDR 的位数体现）。
某计算机主存 MAR 为 16 位，MDR 为 32 位，求主存的存储单元个数与总容量。
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第一步，存储单元个数由 MAR 位数决定：
\[ N = 2^{16} = 65536\ \text{个单元}\quad(\checkmark:\ 2^{10}=1024,\ 2^{16}=1024\times64=65536) \]第二步，存储字长由 MDR 位数决定：32 bit = 4 B。
第三步，总容量：
\[ 65536\times4\ \text{B} = 262144\ \text{B} = 256\ \text{KB}\quad(\checkmark:\ 262144/1024=256) \]套路总结：MAR 管「有多少个房间」，MDR 管「每个房间多大」，二者相乘即容量；只给 MAR 位数时答案只能说单元数，不能默认字节编址。
② 机器字长 ≠ 存储字长：运算器一次算 32 位，不要求一个存储单元恰好 32 位；
③ 单元个数只看 MAR，与 MDR 无关——「MDR 16 位所以有 \(2^{16}\) 个单元」是典型错误。
1.3.2 运算速度：主频、CPI、MIPS 与 CPU 执行时间
- 主频 \(f\)：CPU 时钟脉冲的频率；时钟周期 \(= 1/f\)，是 CPU 操作的最小时间单位（主频 2 GHz 对应 0.5 ns）；
- CPI（Cycle Per Instruction）：执行一条指令平均需要的时钟周期数；
- MIPS：每秒执行多少百万条指令；MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点操作——只统计浮点运算，衡量科学计算能力；
- CPU 执行时间：一段程序真正占用的 CPU 时间，是衡量性能最可靠的尺度。
某 CPU 主频 2 GHz，运行一个含 \(10^{9}\) 条指令的程序，平均 CPI = 2。求时钟周期、程序的总时钟周期数、CPU 执行时间与 MIPS。
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① 时钟周期：
\[ T_{\text{clk}}=\frac{1}{f}=\frac{1}{2\times10^{9}}\ \text{s}=0.5\ \text{ns}\quad(\checkmark) \]② 总时钟周期数：
\[ I\times\text{CPI}=10^{9}\times2=2\times10^{9}\ \text{个周期}\quad(\checkmark) \]③ CPU 执行时间：
\[ T_{\text{CPU}}=\frac{2\times10^{9}}{2\times10^{9}}=1\ \text{s}\quad(\checkmark) \]④ MIPS（每秒百万条指令）：1 s 执行了 \(10^{9}\) 条，即 \(10^{9}/10^{6}=1000\) 百万条：
\[ \text{MIPS}=\frac{10^{9}}{1\times10^{6}}=1000\quad(\checkmark) \]验算用第二公式：MIPS = f/(CPI×10⁶) = 2×10⁹/(2×10⁶) = 1000 ✓，两公式结果一致。
同一程序（\(10^{9}\) 条指令）分别在 A、B 两台机器上运行：A 机主频 2 GHz、CPI = 2；B 机主频 3 GHz、CPI = 4。哪台更快？
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A 机：
\[ T_{\text{A}}=\frac{10^{9}\times2}{2\times10^{9}}=1\ \text{s}\quad(\checkmark) \]B 机：
\[ T_{\text{B}}=\frac{10^{9}\times4}{3\times10^{9}}\approx1.33\ \text{s}\quad(\checkmark:\ 4/3=1.333) \]B 机主频高 50%，执行时间反而多约 33%——主频只是分母，CPI 在分子上等着。评价机器必须「主频 × CPI（× 指令数）」一起看。
某 CPU 主频 1 GHz，程序含 \(2\times10^{8}\) 条浮点运算指令，每条浮点指令 CPI = 4，其余开销忽略。求程序执行时间与 MFLOPS。
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总周期数：\(2\times10^{8}\times4=8\times10^{8}\)；执行时间：
\[ T=\frac{8\times10^{8}}{1\times10^{9}}=0.8\ \text{s}\quad(\checkmark) \]每秒完成浮点操作 \(2\times10^{8}/0.8=2.5\times10^{8}\) 次，即 \(250\) 百万次：
\[ \text{MFLOPS}=\frac{2\times10^{8}}{0.8\times10^{6}}=250\quad(\checkmark) \]判断：(1) 机器字长一定等于数据通路宽度；(2) 主频相同的两台机器运行同一程序必然一样快；(3) MIPS 大的机器对任何程序都快。
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(1) 错：机器字长是 CPU 一次能处理的位数，数据通路宽度是总线一次能传送的位数，二者可以不同。
(2) 错：由 \(T=I\times\text{CPI}/f\)，主频相同还要 CPI 相同、指令数相同才同速（例 7 已给反例思想）。
(3) 错：MIPS 依赖指令集——精简指令集的 MIPS 偏高不代表单条指令干得多；跨指令系统比较应用基准程序测总执行时间。
② CPI 是平均概念：不同指令周期数不同，程序级 CPI 按各类指令的出现频度加权平均；
③ MFLOPS 只计浮点操作，不能反映整数 / 分支密集程序的性能；
④ 时钟周期与主频互为倒数，单位换算失误是计算题最大失分点：1 GHz = \(10^{9}\) Hz，1 ns = \(10^{-9}\) s。
1.4 发展历程与分类
器件换代是划分计算机「代」的依据，一代一句话记住即可：第一代电子管（体积大、机器语言编程）→ 第二代晶体管（高级语言、监控程序出现）→ 第三代中小规模集成电路（操作系统成形）→ 第四代大规模 / 超大规模集成电路（微处理器 PC 诞生，至今）。
- SISD（单指令流单数据流）：传统串行单处理器；
- SIMD（单指令流多数据流）：一条指令同时处理一批数据——向量处理机、阵列处理器属此类（也是 GPU / 多媒体指令 MMX/SSE 的思想源头）；
- MISD（多指令流单数据流）：仅有定义，无实际机型；
- MIMD（多指令流多数据流）：多核处理器、多机系统——各核执行各自的程序流。
1.5 章末自测 真题风格
限时 40 分钟，先做后看答案。难度：★★ 基础 / ★★★ 强化 / ★★★★ 冲刺。计算题全部要求代入具体数值逐步演算并用第二种公式验算。
下列关于翻译程序的叙述中，正确的是（ ）
A. 编译程序和解释程序都生成目标程序 B. 解释程序边翻译边执行，不生成目标程序 C. 汇编程序将高级语言翻译成机器语言 D. C 语言程序在运行过程中被逐句解释
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B。A 错：解释不生成目标程序；C 错：汇编程序翻译的是汇编语言源程序；D 错：C 走编译路线，Python 才是逐句解释。
下列各组中，对机器语言程序员全部透明的是（ ）
A. 指令系统、通用寄存器 B. 微程序、数据通路、时序产生逻辑 C. 程序状态字 PSW、变址寄存器 D. 中断向量、转移指令
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B。机器语言程序员能用指令点名的都不透明：指令系统（A）、PSW 与变址寄存器（C）、转移指令与中断（D）皆可见；只有藏在传统机器之下的微程序、数据通路、时序这些「硬件自己悄悄干」的事对他透明。
下列关于冯·诺依曼计算机的叙述中，错误的是（ ）
A. 指令和数据同等存于存储器，按地址访问 B. 指令由操作码和地址码组成 C. 原始冯·诺依曼机以存储器为中心 D. 指令和数据都用二进制表示
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C。原始冯·诺依曼机以运算器为中心，I/O 经运算器进行；「以存储器为中心」是现代机器的改进。A、B、D 均为标准特点。
取指令阶段结束时，取出的指令的二进制代码存放于（ ）
A. 程序计数器 PC B. 存储器地址寄存器 MAR C. 存储器数据寄存器 MDR D. 指令寄存器 IR
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D。取指路径：PC 给地址 → MAR → 主存读出 → MDR → 送入 IR 保存等待译码；PC 只存下一条指令的地址，MAR / MDR 是访存的中转寄存器。MDR 只是途中一站，阶段结束时指令已在 IR。
按 Flynn 分类法，向量处理机属于（ ）
A. SISD B. SIMD C. MISD D. MIMD
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B。向量机用一条向量指令同时对一批数据（多数据流）并行加工，属 SIMD；MISD 无实际机型；多核处理器才属 MIMD。
某机主存 MAR 为 24 位、MDR 为 64 位，其主存容量为（ ）
A. 16 MB B. 64 MB C. 128 MB D. 192 MB
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C。单元数 \(2^{24}=16\text{M}\) 个（\(\checkmark\)：\(2^{20}=\)1M，\(2^{24}=16\times2^{20}\)）；每单元 64 bit = 8 B；容量 \(=16\text{M}\times8\text{B}=128\ \text{MB}\)（\(\checkmark\)）。
某 CPU 主频 3 GHz，程序含 \(6\times10^{9}\) 条指令，平均 CPI = 1.5。程序执行时间为 \(\underline{\hspace{1cm}}\) s，该机 MIPS 为 \(\underline{\hspace{1cm}}\)。
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总周期数 \(=6\times10^{9}\times1.5=9\times10^{9}\)；
\[ T=\frac{9\times10^{9}}{3\times10^{9}}=3\ \text{s}\quad(\checkmark) \]
\[ \text{MIPS}=\frac{6\times10^{9}}{3\times10^{6}}=2000\quad(\checkmark) \]
验算：\(\text{MIPS}=f/(\text{CPI}\times10^{6})=3\times10^{9}/(1.5\times10^{6})=2000\) ✓。
某 CPU 主频 2 GHz，运行一段含 \(4\times10^{8}\) 条指令的程序耗时 0.3 s。该程序在此机上的平均 CPI 为 \(\underline{\hspace{1cm}}\)。
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0.3 s 内共含时钟周期数：
\[ 2\times10^{9}\times0.3=6\times10^{8}\ \text{个周期}\quad(\checkmark) \]\[ \text{CPI}=\frac{6\times10^{8}}{4\times10^{8}}=1.5\quad(\checkmark) \]
套路总结：反求 CPI / 指令数 / 主频，都是先把 \(T\times f\) 换成「总周期数」这一桥梁量，再除 / 乘已知项。
甲说「主频 4 GHz 的机器一定比 3 GHz 的快」，乙说「MIPS 高的机器一定好」。请分别指出两句话的问题，并说明科学比较两台机器性能应怎么做。
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两句话的问题：
① \(T_{\text{CPU}}=I\times\text{CPI}/f\)：主频只出现在分母，若高主频机器的 CPI 更大（如采用更复杂的功能划分），执行时间反而更长（本章例 7：3 GHz 机器输给 2 GHz 机器），主频高 ≠ 快；
② MIPS 依赖指令系统：RISC 机器指令功能简单、条数多，MIPS 天然偏高，但不代表每个程序都快；不同指令集的 MIPS 不可直接比较。
科学做法：选取与实际工作负载相近的基准程序（如 SPEC），在两机上运行并比较总执行时间（响应时间）；面向服务场景还要结合吞吐率综合评价。
1.6 本章考点总结
| 考点 | 常考题型 | 热度 | 核心方法 |
|---|---|---|---|
| 层次结构与透明性 | 选择题 | ★★★★ 高频 | 先问「对谁透明」；能用指令点名的（寄存器、PSW、指令系统）不透明；硬件自己干的（微程序、数据通路、时序）透明 |
| 编译与解释 | 选择题 | ★★★ | 是否生成目标程序；解释慢但易移植；Java 先编译字节码再解释 |
| 冯·诺依曼特点 | 选择题 | ★★★★ 高频 | 存储程序（最根本）；以运算器为中心；指令 = 操作码 + 地址码；指令 / 数据按指令周期阶段区分；顺序存放、可转移 |
| 部件归属 | 选择题 / 判断 | ★★★★ 易错 | CPU = 运算器 + 控制器；主机 = CPU + 主存；外存与 I/O 属外围设备；指令流进控制器、数据流过运算器 |
| MAR / MDR 求容量 | 选择 / 填空 | ★★★★ | 单元数 \(=2^{\text{MAR 位数}}\)；存储字长 = MDR 位数；容量 = 单元数 × 存储字长 |
| 三公式计算 | 选择 / 填空 | ★★★★★ 必考 | \(T=I\times\text{CPI}/f\)；MIPS \(=f/(\text{CPI}\times10^{6})\)；先算总周期数 \(I\times\text{CPI}\) 作桥梁，再互换求第三量 |
| 性能比较观念 | 解答题 | ★★★ | 主频高 ≠ 快（CPI 在分子）；跨指令集看基准程序（SPEC）总执行时间；吞吐率对量、响应时间对快 |
| Flynn 分类 | 选择题 | ★★★ | 向量机 / 阵列机 = SIMD；多核 = MIMD；MISD 无实际机型 |