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目录 系列文章目录 一、计算机的发展历程 1.1 硬件的发展 1.2 软件的发展 二、计算机系统的层次结构 2.1 计算机硬件的组成结构 2.1.1 早期的冯●诺依曼结构 2.1.2 现代的计算机结构 2.2 认识硬件结构中的各个部件 2.2.1 主存储器 2.2.2 运算器 2.2.3 控制器 2.3 计算机的工作过程 2.4 计算机系统的多级层次结构 三、计算机的性能指标 计算机系统 = 硬件 + 软件 计算机语言的发展经历了面向机器的机器语言和汇编语言、面向问题的高级语言。其中高级语言的发展真正促进了软件的发展，它经历了从科学计算和工程计算的 FORTRAN、结构化程序设计的 PASCAL到面向对象的C++和适应网络环境的Java。 同时，直接影响计算机系统性能提升的各种系统软件也有了长足的发展，特别是操作系统，如 Windows、UNIX、 Linux等。 计算机软件，一般分为系统软件和应用软件 系统软件包括：操作系统，数据库管理系统，语言处理系统(比如编译器)，分布式软件系统，网络软件系统，标准库系统，服务性系统(比如连接程序)。应用软件包括：各种科学计算类程序，工程设计类程序，数据统计与处理程序。 注意：数据库管理系统和数据库系统是有区别的。数据库管理系统是系统软件。而数据库系统一般是由数据库，数据库管理系统，数据库管理员和应用系统构成。所以只能说它里面有系统软件，但并不能说它为系统软件。 2.1.1 早期的冯●诺依曼结构 美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最先提出“存储程序”的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。由于他对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为“现代计算机之父”。 “存储程序”的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。即，按地址访问并顺序执行指令 冯●诺依曼体系结构具有以下特点： 计算机硬件系统由五大部件组成(存储器、运算器、控制器、输出设备、输入设备)指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访指令和数据用二进制表示指令由操作码和地址码组成存储程序以运算器为中心 在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的。（即，对于同一个功能，我们既可以用软件来实现，也可以用硬件来实现，只不过用软件实现的成本较低，效率也较低，硬件与之相反。比如：对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路来实现，也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现。） 2.1.2 现代的计算机结构 在早期的以运算器为中心的冯●诺依曼体系结构中，当输入、输出设备进行输入输出数据时都需要经过运算器的中转，而运算器本身还要进行运算的操作，这会降低计算机的效率，于是，现代计算机针对此做了改进。 现代计算机以存储器为中心。 2.2.1 主存储器 存储器可分为： 主存储器：又称内存储器，CPU能直接访问 辅存储器：又称外存储器，协助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器的信息需要导入到主存储器中，才可以被CPU访问 主存储器又可分为以下三个部分： 地址寄存器（MAR）：访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元数据寄存器（MDR）：存储器与其他部件的中介，用于暂存要从存储器读或写的信息存储体：存储数据 2.2.2 运算器 2.2.3 控制器 除了以上三个重要的部件外，还有以下两个设备： 输入设备，是指将外部信息以计算机能读懂的方式输入进来，如键盘，鼠标等 输出设备，就是将计算机处理的信息以人所能接受的方式输出出来，比如显示屏，打印机。 一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器(CPU)。CPU和主存储器共同构成主机，而除主机外的其他硬件装置(外存、I/O设备等)统称为外部设备，简称外设。 注意：虽然 MAR 和 MDR 属于主存中的内容，但现在绝大多数计算机都将 MAR 和 MDR 集成到了 CPU 中。 【过程讲解（视频16分钟处）】 ① PC -> 0 ② PC -> 1 ③ PC -> 2 ④ PC -> 3 ⑤ PC -> 4 总结： 小结（梳理一下本小节的知识点叭！！！）： 小结（梳理一下本小节的知识点叭！！！）： 计算机系统知识 关键词：计算机的组成、基本工作原理、体系结构、存储系统、计算机安全、可靠性与系统性能评测。 重点： （1）计算机的组成：计算机的发展以及硬件、软件组成。 （2）计算机基本工作原理：数制，汉字编码和CPU结构工作流程 （3）计算机体系结构：体系结构的发展和分类、存储系统、指令系统、输入输出技术、流水线、总线、并行处理。 （4）计算机系统的可靠性、性能评估 1计算机系统组成与基本工作原理 1.1 计算机系统组成 计算机系统分为硬件和软件系统。计算机硬件是计算机系统中的物质基础，是摸得见看得着的。计算机软件是程序、数据、相关文档的集合，包括系统软件和应用软件。计算机系统的组成如下： 1.2计算机硬件系统 计算机硬件5大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 计算机硬件的电线结构包括：单总线结构、双总线结构和采用通道的大型系统结构。 单总线结构：使用一组系统总线将计算机的各个部件连接起来，各部件通过总线交换信息。 一般用在小型或者微型计算机。 优点：易于扩充新I/O设备，I/O设备的寄存器和主存储器可以统一编址使CPU访问I/O更 加灵活。 缺点：限制了信息传送的吞吐率。 双总线结构：常见的就是在内存和CPU之间设置一组专有的高速存储总线。分为以CPU为中心的双总线和以存储器为中心的双总线。 以存储器为中心的双总线结构： 主存储器通过存储总线和CPU交换信息，同时可以通过系统总线与I/O设备交换信息。 优点：信息传输效率高。 缺点：增加硬件成本。 以cpu为中心的双总线结构： 优点：控制线路简单，对I/O的总线的要求低。 缺点：CPU效率低。 采用通道的大型系统结构：一台主机可以连接多个通道，一个通道可以连接一台或多台I/O设备，具有较大的扩展性。由通道控制I/O设备，减少了CPU的压力，提高了系统效率。 1.3 基本工作原理 （1）数制转换 10进制转换成其他的都是除以要转换成的那个数，也就是说转换成二进制的就除以2，转换成八进制的就除以8，转换成十六进制的就除以16，然后倒取余数。 不同的进位制数转化为十进制数：按权展开相加 十进制是权是10；二进制是权是2；十六进制是权是16；八进制是权是8； 例：110011(二进制数)=1*2^5+1*2^4+0*2^3+0*2^2+1*2^1+1*2^0=32+16+2+1=51 1507(八进制数)=1*8^3 + 5*8^2 + 0*8^1 + 7*8^0 = 839 2AF5（十六进制数）=2*16^3 + A*16^2+ F*16^1 + 5*16^0 = 10997 二进制换算八进制 将二进制数从右到左，三位一组，不够补0 例：二进制数10110111011换八进制数： 010 110 111 011 结果为：2673 二进制转换十六进制 二进制数转换为十六进制数的方法也类似，从右到左，四位一组，不够补0 如上题： 0101 1011 1011 结果为：5BB （2）机器数与码制 各种数据在计算机中表示的形式称为机器数，其特点是采用二进制计数制，数的符号用0、1表示，小数点则隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值称为真值。 机器数有无符号数和带符号数之分。无符号数表示正数，在机器数中没有符号位。对于无符号数，若约定小数点的位置在机器数的最低位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高位之前，则是纯小数。对于带符号数，机器数的最高位一晴地正负的符号位，其余位则表示数值。若约定小数点的位置在机器数的最低数值位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置 在机器数的最高数值位之前，则是纯小数位。 为了便于运算，带符号的机器右数可采用原码，反码和补码等不同的编码方法，机器数的这些编码方法称为码制。 1. 原码表示法 数值X的原码记为[X]原，最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，其余位表示数值的绝对值。 2.反码表示法 数值X的原码记为[X]反，最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，正数的反码和原码相同，负数的反码则是其绝对值按位求反。 3.补码表示法 数值X的原码记为[X]补，最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，正数的补码与其原码和反码相同，负数的补码则等于其反码的末尾加1。 4.移码表示法 .移码表示法是在数X上增加一个偏移量来定义的，常用于表示浮点数中的阶码。如果机器字长为n，在偏移2的（n-1）次方的情况下，只要将将码的符号位取反便可获得相应的移码表示。 （3）汉字编码 区位码 为了使每一个汉字有一个全国统一的代码，1980年，我国颁布了第一个汉字编码的国家准： GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集》基本集，这个字符集是我国中文信息处理技术的发展基础，也是目前国内所有汉字系统的统一标准。 所有的国标汉字与符号组成一个94×94的矩阵。在此方阵中,每一行称为一个"区",每一列称为一个"位",因此,这个方阵实际上组成了一个有94个区(区号分别为0 1到94)、每个区内有94个位(位号分别为01到94)的汉字字符集。一个汉字所在的区号和位号简单地组合在一起就构成了该汉字的"区位码"。在汉字的区位码中，高两位为区号，低两位为位号。 在区位码中，01-09区为682个特殊字符，16~87区为汉字区，包含6763个汉字 。其中16-55区为一级汉字(3755个最常用的汉字，按拼音字母的次序排列)，56-87区为二级汉字(3008个汉字，按部首次序排列)。 · 需要注意的是：区位码通常都是用十进制表示的，例如“诚”字的区位码为1947，也就说它位于19区第47个字符。 国标码 国家标准代码，简称国标码，是中华人民共和国的中文常用汉字编码集。国家标准强制标准冠以“GB”。现时中华人民共和国官方强制使用GB 18030标准，但较旧的计算机仍然使用GB 2312。国标码 =区位码（16进制化--区码和位码分别进行16进制转化）+2020H。 机内码 计算机只识别由0、1组成的代码，ASCII码是英文信息处理的标准编码，汉字信息处理也必须有一个统一的标准编码。 汉字交换码（国标码）主要用于汉字信息交换，我国国家标准局于1981年5月颁布了《信息交换用汉字编码字符集——基本集》，代号为GB2312-80，共对6763个汉字和682个图形字符进行了编码。 其编码原则为：汉字用两个字节表示，原则上，两个字节可以表示 256×256=65536种不同的符号，作为汉字编码表示的基础是可行的。但考虑到汉字编码与其它国际通用编码，如ASCII西文字符编码的关系，我国国家标准局采用了加以修正的两字节汉字编码方案，只用了两个字节的低7位。这个方案可以容纳128×128=16384种不同的汉字，但为了与标准ASCII码兼容，每个字节中都不能再用32个控制功能码和码值为32的空格以及127的操作码。所以每个字节只能有94个编码。这样，双七位实际能够表示的字数是：94×94=8836个。 机内码 = 国标码 + 8080H 机内码 = 区位码(16进制化--区码和位码分别进行16进制转化) + a0a0H 相互转换 内码转换为区位码 区位码： 区码=内码高字节-0xa0 位码=内码低字节-0xa0 例如：“国”内码为：0xb9,0xfa 16进制表示的区位码：0x19,0x5a 其区位码（默认为10进制）：2590 区位码转换为内码 内码： 内码高字节=区码+0xa0 内码低字节=位码+0xa0 例如：“海”区位码为：2603 16进制表示的区位码：0x1a,0x03 其内码(默认为16进制)：0xba,0xa3 字模 汉字在显示的时候，是以点阵的形式显示出来的，常见到的有16*16点阵、24*24点阵、32*32点阵。比如说“啊”的16*16点阵字模如下，共256Bits，占用32 Bytes： 0x00,0x00,0xf7,0x7e,0x95,0x04,0x95,0x04,0x96,0x74,0x96,0x54,0x95,0x54,0x95,0x54,0x95,0x54,0xf5,0x54,0x97,0x74,0x04,0x04,0x04,0x04,0x05,0x04,0x04,0x14,0x04,0x08 字模显示的时候，以两个字节表示一行像素点，16行就构成了一个完整的字模。屏幕在显示的时候，1显示为亮色，0显示为背景色，这样就能把字体显示出来。 字库 字库，就是所有汉字字模的集合。显然，在编排这些字模的时候需要一定的顺序（规则），而这个规则就是“机内码”。根据机内码的汉字布局，将对应的汉字字模进行整合，形成字库文件。在使用的时候，应用程序根据汉字的机内码，从字库中找到对应的存储位置，取出字模，进行显示。机内码就是汉字在字库中的索引。 在区位码中，01-09区为682个特殊字符，16~87区为汉字区，有效汉字6768个。在制作字库的时候把特殊字符删除，只使用有效汉字区。也就是说我们从第16区的第1位开始进行字模收集，当第16区收集结束，紧接着收集第17区，直到第87区编排结束。总共收集6768个汉字，占用空间216576 Bytes。 （4）CPU CPU从逻辑上可以划分成3个模块，分别是控制器、运算器和内部寄存器，这三部分由CPU内部总线连接起来。如下所示： 控制器：控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。 运算器：是运算器的核心。可以执行算术运算(包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包括移位、逻辑测试或两个值比较)。相对控制单元而言，运算器接受控制单元的命令而进行动作，即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。 内部寄存器：包括CPU片内缓存和寄存器组，是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途，通用寄存器的数目因微处理器而异。这个是我们以后要介绍这个重点，这里先提一下。 我们将上图细化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下： 总的来说，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。 上图中我没有画总线，只是用逻辑方式对其进行呈现。原因早期Intel的微处理器，诸如8085，8086/8088CPU，普遍采用了地址总线和数据总线复用技术，即将部分(或全部)地址总线与数据总线共用CPU的一些引脚。例如8086外部地址总线有20根，数据总线复用了地址总线的前16根引脚。复用的数据总线和地址总线虽然可以少CPU的引脚数，但却引入了控制逻辑及操作序列上的复杂性。所以，自80286开始，Intel的CPU才采用分开的地址总线和数据总线。 不管是复用还是分开，对我们理解CPU的运行原理没啥影响，上图没画总线的目的就是怕有些人太过于追求细节，一头扎下去，浮不起来，不能从宏观上藐视敌人。 OK，总结一下，CPU的运行原理就是：控制单元在时序脉冲的作用下，将指令计数器里所指向的指令地址(这个地址是在内存里的)送到地址总线上去，然后CPU将这个地址里的指令读到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据，会将数据地址也送到地址总线，然后CPU把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来，最后命令运算单元对数据进行处理加工。周而复始，一直这样执行下去，天荒地老，海枯枝烂，直到停电。 如果你对这段话还是觉得比较晕乎，那么就看我们老师是怎么讲的： 1、取指令：CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是这个样子滴： 操作码就是汇编语言里的mov,add,jmp等符号码；操作数地址说明该指令需要的操作数所在的地方，是在内存里还是在CPU的内部寄存器里。 2、指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作(就是指令里的操作码)、操作数在哪里(操作数的地址)。 3、 执行指令，分两个阶段“取操作数”和“进行运算”。 4、 修改指令计数器，决定下一条指令的地址。 主要介绍了北斗卫星导航系统的发展历程、系统组成、工作体制、卫星的导航信号、服务区域、导航参数，便于全面了解北斗卫星导航系统。 北斗卫星导航系统，国际注册名称COMPASS，是四大全球卫星导航系统之一。 北斗的建设者以高度的政治责任感、历史使命感、时代紧迫感，结合中国国情军情实际，创造性地提出利用两颗地球同步静止轨道卫星和地面数字高程模型，构建双星定位系统，首先解决有源技术体制下的卫星定位急需，这是中国卫星导航建设“三步走”战略的第一步。1985年至1994年，是中国自主卫星导航系统的演示论证期，完成了原理论证和演示验证。 1994年至2002年，是北斗卫星导航实验系统研制建设期，2003年12月，系统正式开通运行，中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家，开始了北斗指路的时代。 2004年，北斗区域卫星导航系统正式立项，到2012 年，已完成了全部16颗卫星的发射，建成了覆盖亚太区域、形成区域无源服务能力的北斗区域卫星导航系统。 计划到2020 年，建成由3 颗静止轨道和27颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。 图 1北斗卫星导航系统发展 北斗实际发展过程中，采取了向下兼容的方式，即不会停掉一代，重启炉灶发展下一代。而是在上一代的基础上不断补充卫星数，增加其功能，提高其整体水平。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分构成： 空间段： 北斗导航卫星持续发射载有导航电文的无线电波，提供给地球上的各种接收机来应用。 北斗导航卫星具体发射时间、发射类型见下图。 图 2 北斗卫星发射情况 地面段： 为追踪及控制北斗导航卫星的运转，在地面设置了主控站、注入站和监控站，主要工作是收集数据，计算导航信息，监视系统状态，调度卫星，修正与维护每颗卫星的各项参数数据等。 用户段： 包括北斗系统用户终端以及与其它卫星导航系统兼容的终端。可以追踪北斗导航卫星，并实时地计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及时间。接收机可分为袖珍式、背负式、车载、船载、机载等等。 图 3 北斗系统用户段 北斗卫星导航系统2002年正式提供了RDSS业务，2011年底宣布提供RNSS业务，两种体制的集成可以相互嵌入，互为增强，即可为用户提供连续定位、测速能力，又可以进行位置报告与短报文通信。 卫星无线电测定业务（Radio Determination Satellite Service，缩写RDSS），用户至卫星的距离测量和位置计算由地面主控站通过用户机的应答来完成，在完成定位的同时，即能报告位置，也能进行通信。 图 4 北斗系统三球交会原理 卫星无线电导航业务（Radio Navigation Satellite System，缩写RNSS），由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至少4颗卫星的距离测量，进行用户位置、速度及航行参数计算。 1、载波 有3个载波B1、B2、B3，其频率为： B1------1561.098 MHZ B2-------1207.140 MHZ B3-------1268.520 MHZ 2、伪距测距码 普通测距码：C码 精密测距码：P码 3、数据码 D码 目前，北斗系统的服务区域为东经55°～180°，南纬55°～北纬55°之间的大部分区域；重点区域为东经70°～145°，北纬5°～55°的大部分区域。 信号覆盖西至波斯湾霍尔木兹海峡，东至美国中途岛西部，北至俄罗斯腾达，南至澳大利亚、新西兰南部海域。 图 5 北斗系统服务区域 北斗卫星导航系统使用的是2000年中国大地坐标系，简称CGCS2000，其参数见下图： 图 6 北斗系统参数 北斗卫星导航系统采用的是北斗时BDT。 BDT的历元是2006年1月1日UTC。 北斗系统的空间基准是2000中国大地坐标系，即CGCS2000。CGCS2000通过国家GPS大地网的2500多点的坐标和速度（历元2000.0）实现，其实现精度：坐标cm级；速度精度：mm/yr级。 北斗卫星导航系统可以为全球用户提供开放、稳定、可靠的定位定向、实时导航、精密测速、精确授时、位置报告、短信服务六大功能，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度20纳秒。计算机组成原理（一）—— 系统概述的介绍就聊到这里吧，感谢你花时间阅读本站内容，更多关于计算机组成原理（一）—— 系统概述、计算机组成原理（一）—— 系统概述的信息别忘了在本站进行查找喔。
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原文地址：http://www.weishengjincn.com/post/23887.html发布于：2026-04-17
