计算机系统结构基础知识要点梳理

计算机系统结构基础知识要点梳理计算机系统结构是指计算机硬件和软件之间的组织和交互方式，是

计算机科学与技术的基础。了解计算机系统结构的基础知识对于计算

机专业学生和从事计算机相关工作的人员来说至关重要。本文将梳理

计算机系统结构的基础知识要点，帮助读者更好地理解和掌握这一领

域的知识。

一、计算机的组成与功能

计算机系统由硬件和软件组成。硬件包括中央处理器(CPU)、内存、存储器、输入输出设备等，而软件包括系统软件和应用软件。计算机

的主要功能是数据的输入、处理、输出和存储。

1.中央处理器

中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令并控制计算机的工作。它由运算器和控制器组成，运算器负责进行算术和逻辑运算，控

制器负责解析和执行指令。

2.内存

内存是计算机用来存储数据和指令的地方，它可以分为主存和辅存。主存是CPU可以直接访问的存储器，而辅存则用于长期存储数据和程序。

3.存储器

存储器用于存储计算机系统中的各种数据和信息，包括数据、指令和程序等。根据存储介质的不同，可以将存储器分为内存和外存。

4.输入输出设备

输入输出设备用于将数据从外部输入到计算机系统中，或将计算机系统中的数据输出到外部设备中。常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

二、计算机的层次结构

计算机系统可以按照功能和性能划分为多个层次，从底层到高层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

1.物理层

物理层是计算机系统中最底层的层次，它负责处理计算机硬件和信号传输的问题。包括处理器、存储器、总线等硬件设备，并规定了数据的传输方式和电信号的特性。

2.数据链路层

数据链路层负责处理数据在链路上的传输和错误控制。它将数据分组成帧，并对传输过程中的错误进行检测和纠正。

3.网络层

网络层负责处理数据在不同网络之间的传输和路由问题。它使用IP 地址来标识网络和主机，并通过路由选择算法确定数据的传输路径。

4.传输层

传输层负责处理数据的传输可靠性和流量控制。主要包括传输协议TCP和UDP，TCP提供可靠传输，UDP提供不可靠传输。

5.会话层

会话层负责建立、管理和终止应用程序之间的通信会话。它提供会话的同步和远程过程调用功能。

6.表示层

表示层负责处理数据的表示和编码方式。它将数据转换为计算机可以理解的格式，并进行数据的加密和解密。

7.应用层

应用层是计算机系统最高层的层次，负责处理各种应用程序的通信需求。常见的应用层协议包括HTTP、FTP和SMTP等。

三、计算机系统的体系结构

计算机系统的体系结构是指计算机硬件和软件组成的架构，包括冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构。

1.冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构是目前使用最广泛的计算机体系结构。它以冯·诺依曼为名，主要特点是将程序和数据存储在同一内存空间中，使用存储程序控制的方式进行指令的执行。

2.哈佛体系结构

哈佛体系结构是指将程序和数据存储在不同的存储器中。它的主要

特点是指令和数据可以同时进行访问，提高了程序的执行效率。

四、计算机系统的指令与寻址方式

指令是计算机系统中的基本操作单元，它可以执行各种操作，包括

算术运算、逻辑运算和数据传输等。计算机系统的指令可以分为定长

指令和变长指令。

1.定长指令

定长指令是指所有的指令长度都相同的指令。它的主要优点是指令

的译码和执行速度快，但缺点是指令长度固定，浪费存储空间。

2.变长指令

变长指令是指指令的长度不固定，根据需要进行调整的指令。它的

主要优点是可以灵活利用存储空间，缺点是指令的译码和执行速度相

对较慢。

计算机系统的寻址方式是指计算机如何确定指令和数据的存储地址。常见的寻址方式包括直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、相对寻址和

基址寻址等。

五、计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构是指计算机硬件组成的层次结构，从低层到高层分别是逻辑门、逻辑电路、寄存器、数据通路、控制器和计算机机器指令等。

1.逻辑门

逻辑门是计算机系统中的最基本的逻辑电路，包括与门、或门和非门等。它通过逻辑运算来实现不同的功能。

2.逻辑电路

逻辑电路是由逻辑门组成的电路，通过逻辑门之间的连接和组合实现复杂的逻辑功能。

3.寄存器

寄存器是计算机系统用来存储和处理数据的组件，它可以暂时存储和传送数据。

4.数据通路

数据通路是计算机系统中用于传输数据和控制信号的路径。它将寄存器和运算器等硬件设备连接起来，实现数据的流动和处理。

5.控制器

控制器是计算机系统中用于控制和调度计算机工作的组件。它根据指令和控制信号来控制计算机的运行和操作。

6.计算机机器指令

计算机机器指令是计算机系统中用于执行不同操作的指令。它由操作码和操作数组成，操作码用于指定操作类型，操作数用于指定操作的对象。

六、计算机系统的性能评价指标

计算机系统的性能评价主要包括运行时间、吞吐量和响应时间等指标。

1.运行时间

运行时间是指计算机完成一个任务所需要的时间。它受到计算机硬件性能、指令集和编译器优化等因素的影响。

2.吞吐量

吞吐量是指单位时间内计算机完成的任务数量。它反映了计算机系统的处理能力和效率。

3.响应时间

响应时间是指从发送请求到接收到响应所经历的时间。它反映了计算机系统对用户请求的处理速度。

七、计算机系统的发展趋势

计算机系统的发展趋势主要包括并行处理、分布式处理、虚拟化和云计算等。

1.并行处理