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《计算机组成原理》第 1 章 - 计算机系统概论

ds 2025/8/27 6:20:17

前言

计算机组成原理是计算机科学的核心基础课程，本章将带你从宏观到微观认识计算机系统的本质。本文结合 Java 代码示例与可视化图表，帮助读者通过动手实践理解抽象概念。

1.1 计算机系统简介

1.1.1 计算机的软硬件概念

软件（Software）：程序、数据及相关文档的集合，如操作系统、Java 编译器。
硬件（Hardware）：物理实体组件，如 CPU、内存、硬盘。

案例：Java 程序的软硬件交互

// 软件层面：Java程序代码
public class HelloHardware {public static void main(String[] args) {// 硬件层面：通过CPU执行运算，内存存储数据int result = 1024 + 512; // 算术运算由ALU完成System.out.println("运算结果存储于内存：" + result); // 输出通过I/O设备显示}
}

注释：

代码由软件（Java 编译器）翻译成机器指令
指令执行依赖硬件（CPU 取指→译码→执行）

1.1.2 计算机系统的层次结构

层次结构（从底层到应用层）：

硬件层：晶体管、集成电路
指令集架构层（ISA）：定义 CPU 能执行的指令（如 x86 的 ADD 指令）
操作系统层：管理硬件资源（如内存分配、进程调度）
汇编语言层：用助记符表示指令（如MOV AX, BX）
高级语言层：Java、Python 等编程语言
应用层：办公软件、游戏等

流程图：层次结构交互

计算机系统层次交互流程

1.1.3 计算机组成和计算机体系结构

计算机体系结构（Architecture）	计算机组成（Organization）
定义系统的功能特性（如指令集、数据表示）	实现功能的具体电路设计（如控制器结构）
例：是否支持浮点运算	例：用硬布线控制器还是微程序控制器

案例：不同架构的 CPU 实现

// 体系结构定义接口
interface CPUArchitecture {void executeInstruction(String instruction); // 指令执行接口
}// 组成实现：硬布线控制器实现
class HardwiredCPU implements CPUArchitecture {public void executeInstruction(String instruction) {System.out.println("硬布线控制器执行指令：" + instruction);// 具体电路逻辑模拟}
}// 组成实现：微程序控制器实现
class MicroprogrammedCPU implements CPUArchitecture {public void executeInstruction(String instruction) {System.out.println("微程序控制器解析微指令：" + instruction);// 微指令序列模拟}
}

1.2 计算机的基本组成

1.2.1 冯・诺依曼计算机的特点

存储程序：指令和数据统一存储于内存
二进制表示：数据和指令均用二进制编码
硬件组成：运算器、控制器、存储器、输入 / 输出设备

Java 模拟存储程序原理

// 模拟内存存储指令和数据
class VonNeumannMachine {private String[] memory = new String[1024]; // 模拟内存单元public void storeProgram(String[] program) {for (int i = 0; i < program.length; i++) {memory[i] = program[i]; // 存储指令（二进制形式模拟）}}public void execute() {for (int i = 0; i < memory.length; i++) {String instruction = memory[i];if (instruction != null) {processInstruction(instruction); // 模拟控制器取指执行}}}private void processInstruction(String instruction) {System.out.println("执行指令：" + instruction);// 解析操作码和操作数（简化模拟）}
}

1.2.2 计算机的硬件框图

计算机硬件组成框图

1.2.3 计算机的工作步骤

取指：PC 送地址到内存，取出指令到 IR
译码：控制器分析指令操作码
执行：ALU 完成运算，结果存回内存或寄存器

代码模拟指令执行周期

class InstructionCycle {private int pc = 0; // 程序计数器private String ir; // 指令寄存器public void fetch() {ir = memory[pc]; // 模拟从内存取指令pc++; // PC自动递增System.out.println("取指：指令地址=" + (pc-1) + ", 指令=" + ir);}public void decode() {String opCode = ir.substring(0, 4); // 假设前4位为操作码System.out.println("译码：操作码=" + opCode);}public void execute() {System.out.println("执行：" + ir);}
}

1.3 计算机硬件的主要技术指标

1.3.1 机器字长

定义：CPU 一次能处理的二进制位数
例：32 位 CPU 字长 32 位，64 位 CPU 字长 64 位

Java 验证字长影响（通过数据类型占用字节）

public class WordLengthDemo {public static void main(String[] args) {// 32位系统int占4字节，64位同理System.out.println("int字节数：" + Integer.BYTES); // 输出4（对应32位字长）System.out.println("long字节数：" + Long.BYTES); // 输出8（对应64位字长）}
}

1.3.2 存储容量

主存容量：内存总字节数（如 8GB=8×1024×1024×1024B）
外存容量：硬盘等存储设备容量

计算内存地址空间代码

public class MemoryCapacity {public static void main(String[] args) {int addressBusWidth = 32; // 32位地址总线long maxMemory = (long) Math.pow(2, addressBusWidth); // 2^32字节System.out.println("32位地址总线可寻址：" + maxMemory/1024/1024/1024 + "GB");}
}

1.3.3 运算速度

主频：CPU 时钟频率（如 3.6GHz=3.6×10^9 次 / 秒）
CPI：每条指令平均时钟周期数
MIPS：每秒百万条指令数（MIPS = 主频 / CPI/10^6）

模拟 CPI 计算

public class OperationSpeed {public static void main(String[] args) {int frequency = 3600_000_000; // 3.6GHz主频int cpi = 2; // 假设每条指令平均2个周期double mips = frequency / cpi / 1_000_000;System.out.println("运算速度：" + mips + " MIPS");}
}