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2.1 计算机系统的组成

知识点​

1.本单元要学什么​

单元主题:信息系统的集成——把一台台孤立的设备,连成能协同工作的整体。

小节核心问题
2.1 计算机系统的组成一台计算机由哪些部分组成?各部分怎样配合工作?
2.2 计算机系统互联多台计算机怎样连成网络?IP 地址怎么配?
2.3 无线局域网的组建不用网线怎么组网?Wi-Fi 怎么配、怎么加密?
2.4 基于物联网的信息系统传感器怎么把"物理世界"变成"数据"?
2.5 远程控制系统的组建怎么在远处控制设备?信号怎么走?
2.6 小型信息系统的组建从需求到运行,一个完整系统怎样搭起来?

单元主线:单机 → 有线互联 → 无线互联 → 物联感知 → 远程控制 → 系统集成。这是"由小到大、由近到远"的六步,学完就能自己搭一个能用的信息系统。

2.计算机系统 = 硬件系统 + 软件系统​

定义:计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成,二者缺一不可。

组成内容关系
硬件系统看得见、摸得着的物理设备是物质基础,没有硬件软件无处运行
软件系统程序、数据、相关文档是灵魂,没有软件硬件只是"裸机"

一句话:硬件是躯体,软件是灵魂;躯体提供舞台,灵魂决定演什么。

3.冯·诺依曼体系结构(本小节核心)​

冯·诺依曼在 1946 年提出"存储程序"原理,奠定了现代计算机的基本结构。

核心思想(三条):

  1. 存储程序——把程序和数据都事先存进存储器,计算机自动按顺序取出执行;
  2. 程序控制——计算机的工作由指令序列控制,不需人工干预每一步;
  3. 二进制——程序和数据都用二进制表示。

五大部件(必背):

部件别称作用举例
运算器ALU,算术逻辑单元完成算术运算与逻辑运算加法、比较大小
控制器CU指挥、协调各部件工作,取指令、分析指令、发控制信号指令译码、时序控制
存储器内存、外存存放程序与数据内存条、硬盘
输入设备输入把外部信息送入计算机键盘、鼠标、扫描仪、麦克风
输出设备输出把结果送出计算机显示器、打印机、音箱

CPU = 运算器 + 控制器(中央处理器,是计算机的"心脏")。

注意概念的对应关系(极易混):

  • "主机" 通常指 CPU + 内存 + 主板(不含外设);
  • "外设" 指 输入设备、输出设备、外存;
  • "中央处理器" 只含运算器与控制器,不含存储器。

4.总线:部件之间的"高速公路"​

各部件不是各自为战,而是通过总线连接。

总线类型传输什么方向
数据总线数据双向
地址总线存储单元或设备的地址单向(由 CPU 发出)
控制总线控制信号、状态信号双向

总线宽度决定性能:数据总线越宽,一次能传的数据越多(如 64 位);地址总线越宽,能寻址的空间越大。

5.存储器:分层的"记忆系统"​

存储器的两个大类:

类别特点举例
内存储器(主存)速度快、容量小、断电后数据丢失(RAM)内存条、Cache
外存储器(辅存)速度较慢、容量大、断电后数据保留硬盘、固态硬盘、U盘、光盘

存储层次(由快到慢、由贵到廉):

寄存器 → Cache(高速缓存) → 内存 → 固态硬盘 → 机械硬盘 → 光盘/磁带

为什么要分层:速度快的太贵、容量小;容量大的太慢。分层后常用数据放上层、海量数据放下层,用较低成本获得较高整体性能。

内存与外存的分工(常考对比):

对比项内存外存
断电后数据丢失数据保留
容量小(GB 级)大(TB 级)
速度快慢
存放内容正在运行的程序与数据长期保存的程序与文件

6.存储单位与换算(必考计算)​

单位换算
位(bit,比特)最小单位,取值 0 或 1
字节(Byte,B)1 B = 8 bit
千字节(KB)1 KB = 1024 B
兆字节(MB)1 MB = 1024 KB
吉字节(GB)1 GB = 1024 MB
太字节(TB)1 TB = 1024 GB

记忆要点:

  1. B 与 bit 差 8 倍——带宽常用 bit(如 100 Mbps),文件大小常用 Byte,换算要除以 8;
  2. 计算机内部按 1024(2 的 10 次方)进位,而硬盘厂商常按 1000 标注,所以标称 1 TB 的硬盘在系统里显示约 931 GB。

典型算例:一段 100 Mbps 的网络,理论下载速度约为 100 ÷ 8 = 12.5 MB/s。

7.输入输出设备​

类型设备说明
输入键盘、鼠标最基本的字符与指针输入
输入扫描仪、摄像头图像输入
输入麦克风声音输入
输入触摸屏兼具输入与输出
输入传感器、扫码枪物联网与业务系统常用
输出显示器最主要的输出设备
输出打印机纸质输出(针式、喷墨、激光)
输出音箱、耳机声音输出
输出投影仪大屏展示

注意:触摸屏、一体机既是输入设备又是输出设备,这类"双向设备"是常考的小陷阱。

8.软件系统:系统软件与应用软件​

类别定义主要组成举例
系统软件管理、监控、维护硬件,为应用软件提供运行环境操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、设备驱动程序、服务性程序Windows、Linux、Android、MySQL、编译器
应用软件为解决特定问题而开发的软件通用应用软件、专用业务软件WPS、浏览器、学籍系统、Photoshop

操作系统的作用(五大管理):

  1. 处理器管理——分配 CPU 时间;
  2. 存储管理——分配与回收内存;
  3. 设备管理——驱动外设;
  4. 文件管理——组织与保护文件;
  5. 作业管理——调度任务。

操作系统是"最基础的系统软件",是用户与硬件之间的接口。

语言处理程序:把高级语言源程序翻译成机器语言,编译程序(整体翻译,如 C 语言)与解释程序(逐句翻译,如 Python)是两种方式。

9.指令与程序:计算机怎么"听懂"人话​

指令:计算机执行某种操作的命令,是 CPU 能识别的最小操作单位。

一条指令通常包含两部分:

部分作用
操作码说明"做什么"(加、减、传送、跳转)
地址码说明"对谁做"(操作数或数据所在地址)

程序:为完成某项任务而组织起来的有序指令序列。

指令执行的基本过程(四步,常考流程):

取指令 → 分析指令 → 执行指令 → 存放结果

由控制器统一指挥,按程序计数器的顺序逐条执行,遇到跳转指令则改变顺序。

"存储程序"的意义:程序像数据一样存在存储器里,计算机就能自动、连续地执行,不需要人一步步拨开关——这是现代计算机区别于早期计算工具的根本。

10.计算机的主要性能指标​

指标含义说明
主频CPU 时钟频率,单位 GHz一定范围内越高越快,但不能跨架构直接比
字长CPU 一次能处理的二进制位数常见 32 位、64 位,字长越长精度与寻址能力越强
核心数/线程数CPU 内集成的运算核心数量多核利于并行处理,需软件支持
内存容量可同时运行的程序规模容量不足会频繁读写硬盘,明显变慢
运算速度每秒执行的指令数(MIPS 等)综合反映性能
存取周期存储器完成一次读写所需时间越短越好

常见误区纠正:

  • "主频越高一定越快"——错,还取决于架构、核心数、缓存、内存等;
  • "硬盘容量越大计算机越快"——错,容量影响"能存多少",速度才影响"跑多快";
  • "内存越大越好"——不一定,超出需求的部分不会被利用,且受主板与系统限制。

11.速查表​

序号考点结论
1计算机系统组成硬件系统 + 软件系统
2冯·诺依曼核心思想存储程序、程序控制、二进制
3五大部件运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
4CPU 组成运算器 + 控制器
5主机通常指CPU + 内存 + 主板
6外设包括输入设备、输出设备、外存
7三类总线数据总线、地址总线、控制总线
8内存特点断电丢失、速度快、容量小
9外存特点断电保留、速度慢、容量大
10存储层次寄存器 → Cache → 内存 → 外存
111 字节8 位
12换算基数1024
13100 Mbps 的理论下载速度约 12.5 MB/s
14双向设备触摸屏(既输入又输出)
15系统软件核心操作系统
16操作系统五大管理处理器、存储、设备、文件、作业
17编译与解释编译整体翻译,解释逐句翻译
18指令两部分操作码 + 地址码
19指令执行四步取指 → 分析 → 执行 → 存结果
20字长含义CPU 一次能处理的二进制位数

12.课堂提示(讲课参考)​

  • 拆机箱是最有效的开场:打开一台旧主机,指着 CPU、内存条、硬盘、主板逐一对应五大部件,学生对"运算器+控制器=CPU"的记忆会牢固得多。没有实物可用主板结构图代替。
  • "存储程序"用对比讲:早期 ENIAC 改题目要重新插线几小时,现在改程序只需改代码几秒钟——差别就在"程序是否存进存储器"。这个对比学生一听就懂。
  • 存储单位换算必做三道题:① 2 GB 等于多少 MB;② 一张 4 MB 照片能存多少张进 32 GB 卡;③ 100 Mbps 宽带实际下载速度。第三题错误率最高,务必讲清 bit 与 Byte 的区别。
  • 性能指标要"破除迷信":拿两台真实机器比参数(一台主频高但内存小,一台主频低但固态硬盘+大内存),让学生猜谁更快,再解释原因,比背定义深刻。
  • 为 2.2 埋伏笔:结尾提问"这台计算机要跟隔壁那台交换文件,需要加什么?"——自然引出网卡、网线、IP 地址,衔接下一节。