第9章 计算机的架构体系
9.1 计算机的体系结构
现代计算机大多基于冯·诺依曼体系结构，核心思想：
- 采用二进制存储数据与指令；
- 程序、数据统一存入存储器，可自动读取执行；
- 计算机五大核心部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
9.2 CPU（中央处理器）
CPU是计算机核心，被称为“大脑”，负责执行指令、运算数据。
9.2.1 内部组成
- 运算器：完成算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非）；
- 控制器：取指令、解析指令、调度各部件协同工作；
- 寄存器：高速临时存储单元，存取速度远超内存，存放CPU正在处理的数据/指令。
9.2.2 性能指标
- 主频（Hz）：时钟频率，数值越高单位时间执行指令越多，运算越快；
- 核心数：多核CPU可并行处理多任务，提升并发能力；
- 字长：CPU单次可处理的二进制位数，常见32/64位；字长越长寻址、处理能力越强。
9.3 存储器
存储器用于存放程序与数据，按读写速度、断电特性分为缓存、内存、外存。
9.3.1 Cache 高速缓冲存储器
位置：CPU与内存之间，速度接近CPU； 作用：缓存CPU高频访问数据，减少读取内存的耗时；
- 命中：Cache找到数据，直接读取；
- 未命中：去内存读取并同步存入Cache； 分级：L1（CPU内置、最快、容量最小）、L2、L3（容量递增，速度递减）。
9.3.2 内存（主存）
直接与CPU交换数据，速度快、容量偏小，断电数据丢失。
- RAM 随机存取存储器：可读可写，日常内存条；分为DRAM（低成本）、SRAM（高速昂贵）；
- ROM 只读存储器：出厂固化数据，断电不丢失，用于BIOS开机固件。
9.3.3 外存（辅助存储器）
容量大、价格低、断电数据永久保存；无法直接给CPU传数据，必须先载入内存。 常见类型：
- HDD机械硬盘：磁性存储，容量大、速度慢；
- SSD固态硬盘：闪存芯片，读写快、抗震；
- 光盘CD/DVD：激光读写，多用于影音资料；
- U盘：便携闪存移动存储。
9.4 输入/输出设备（I/O设备）
计算机和外界交互的桥梁。
9.4.1 输入设备（向电脑传数据）
键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、麦克风。
9.4.2 输出设备（电脑向外输出结果）
显示器（LCD/OLED）、打印机、音箱、投影仪。
9.5 总线
连接CPU、内存、外设的公共传输线路，统一传输数据、地址、控制信号。
9.5.1 三类总线
- 数据总线：传输运算数据，位数等于CPU字长；
- 地址总线：传输内存地址，位数决定最大寻址内存容量；
- 控制总线：传递读写、中断等控制信号。
9.5.2 特点
总线共享，同一时间仅一台设备发送数据、多台可接收；性能由总线宽度、频率决定。
9.6 系统软件
管理硬件、为应用软件提供运行环境。
9.6.1 操作系统OS
最核心系统软件，管理软硬件资源、提供人机交互；Windows/macOS/Linux/Android/iOS。
9.6.2 语言处理程序
把高级语言转机器语言：
- 编译器（C/C++）：一次性整体翻译；
- 解释器（Python）：逐行实时执行；
- 汇编程序：汇编语言转机器码。
9.6.3 DBMS数据库管理系统
MySQL、Oracle，负责数据增删改查。
9.6.4 工具软件
杀毒、磁盘清理、备份工具等维护程序。
9.7 应用软件
面向用户特定需求，运行在操作系统之上：
- 办公软件：Word、Excel、PPT；
- 图形设计：PS、CAD；
- 多媒体：剪映、播放器；
- 行业专用：医疗、金融管理系统。