考研408《计算机组成原理》复习笔记，第一章计算机系统概述

本文主要是介绍考研408《计算机组成原理》复习笔记，第一章计算机系统概述，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

本人打算从今到2026年不再更新过多的前后端开发的笔记，因为要准备考研了，所以停更前面的开发教程。

这些都是我看完书、视频、做完题后，结合个人理解总结的知识点，希望对各位有帮助。一切都是用最快最精炼的方式讲清楚。

一、计算机发展历程

第一代：电子管时代
第二代：晶体管时代
第三代：中小规模集成电路时代
第四代：超大规模集成电路时代

就这么记就行了，很少考你历程这些细节的。

二、计算机系统结构

1、计算机系统有大概的两个组成

首先记住这句话：【计算机系统 = 软件 + 硬件】为什么这么记，后面解释。

还有一句话很重要：软件跟硬件在逻辑上都是等价地位的。

相同的功能其实硬件也能完成、软件也能完成，只不过它两各有各的优点：软件更灵活便捷、硬件时效更高，缺点就是：软件时效没有硬件快，复杂的硬件造价成本高。

所以简单一句话：【当要用一个频繁要复用的功能，硬件造价成本相对又不是很高的话，可以优先选硬件，否则就选软件。】

例题：

以下说法错误的是（ D ）

A、硬盘是外部设备 √

B、软件的功能与硬件的功能在逻辑上是等价的 √

C、硬件实现的功能一般比软件实现具有更高的执行速度 √

D、软件的功能不能用硬件取代 ×

。

（※ 硬件更快，软件更灵活，当造价成本不高、反复执行一个功能时，硬件可以代替软件）

2、冯·诺依曼机思想

冯·诺依曼机很重要，他的计算机思想奠定了现代计算机的基本结构。主要是这么几个特点：

采用 “存储程序” 的工作方式
计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。（运算器+控制器叫“CPU”，输入设备+输出设备叫“I/O设备”）
【指令】、【数据】具有同等地位，形式相同，都是以二进制形式存在计算机里
【指令】又分为【操作码】和【地址码】，【操作码】是要干什么，【地址码】是数据是什么
以运算器为中心

这里以我个人理解来解释这几个专业术语：

1、【存储程序】思想：就是将原始程序和数据先存入计算机里，然后程序执行时，无需人工操作，计算机自动按照【按地址寻找访问数据，并按顺序自动执行指令】的规则运行程序。

2、【指令】与【数据】具有同等地位的存在计算机存储器里，都是二进制，虽然我们可能分辨不出来但是计算机能分辨出哪些是【指令】哪些是【数据】

3、【指令】又分【操作码】跟【地址码】，【操作码】就是这个指令要计算机干什么，【地址码】就是取数据的地址，比如下图第一条指令【操作码】就是【读数】，【地址码】就是【去地址5的地方取a=2这个数据】

例题：

1）冯诺依曼机的基本工作方式（ A ）

A、控制流驱动方式 √ ——> 翻译人话：按顺序执行指令，按指令执行程序，对

B、多指令多数据流方式 × ——> 不知道是啥，直接不管

C、微程序控制方式 × ——> 不知道是啥，直接不管

D、数据流驱动方式 × ——> 翻译人话：按数据来执行程序；错，数据是被动存在存储器的，由指令操控

2）下列是冯诺依曼机的工作特点的是（ B ）

A、多指令流单数据流 × ——> 不存在，不知道是啥玩意

B、按地址访问并顺序执行指令 √ ——>【按地址寻找访问数据，并按顺序自动执行指令】

C、堆栈操作 × ——> 跟题目没关系

D、存储器按内容选择地址 × ——> 存储器的特点，跟冯诺依曼机整体没关系

其他的下面细讲。

3、计算机结构

大概由这几部分组成：【输入设备】+【运算器】+【存储器】+【控制器】+【输出设备】

然后【运算器】+【控制器】=【CPU】，【输入设备】+【输出设备】=【I/O设备】

存储器又分为【主存储器】跟【辅助存储器】

其中【主存储器】简称【主存】就是装在计算机里面的内存，就是我们常说的 “内存”；

；

【辅助存储器】又叫【外存】，就是U盘、硬盘这些东西，内存不够了就可以靠他们存储

然后【I/O设备】里

【输入设备】就是键盘鼠标、摄像头、扫描仪之类的 “将程序、数据转化成计算机所能接受并认识” 的外部接入设备

；

【输出设备】就是音响、打印机、显示器这些 “将计算机处理的结果变成人能理解的” 外部设备

那么注意这里的一个点：

【辅助存储器（外存储器）】可以当作【输入设备】也可以当作【输出设备】，总之就是属于【I/O设备】，然后【I/O设备】就是【外部设备】。

例题：

完整的计算机系统应该包括（ D ）

A、运算器、存储器、控制器 × ——> 这只一个是【主机】的结构

B、外部设备和主机 × ——> 这只是【计算机系统硬件部分】的结构

C、主机和应用程序 × ——> 还有【软件系统和I/O设备】呢

D、配套的硬件设备和软件系统 √ ——> 我开头那句话：【计算机系统 = 软件 + 硬件】

4、存储器

1）简单内部结构

存储器的内部结构简单来说就是【存储体】+【MAR（地址寄存器）】+【MDR（数据寄存器）】

（尽量也记一下MAR、MDR的英文全称，说不定考研英语还会考到呢，也方便记住它两）

抽象理解：【数据、指令】全都在【存储体】里，计算机取【指令、数据】时就要那“取件码”去存储器，先找【MAR（地址寄存器）】“店员”，给他看取件码让他去取货；然后【MAR（地址寄存器）】“店员”把货物放到【MDR（数据寄存器）】“柜台”，计算机再去那里取走。

注意：这里有个重要的点，虽然MAR、MDR是【存储器】里的部件，但是现代计算机中，MAR、MDR也可以存在于CPU里了。

2）存储体

然后有个大概了解之后，重点是对一些存储体的【单位】的理解：

【存储体】里有很多【存储单元】，【存储单元】有很多 “存储元件”，里面可以存二进制“0”和“1”，因此【存储单元】可以存一长串二进制代码

这么一串二进制代码就是【存储字】，这串二进制代码的位数就是【存储字长】。【存储字长】通常就是一字节、或者一字节的偶数倍(8bit，或者8bit的偶数倍)。

（注意：二进制代码的位数、存储字的位数不是指这个二进制代码有几位数，而是一个代表大小的单位）

计算机里最小单位是bit（比特位），【一个字节】就是【8bit】（8个比特位）

【bit】可以写成：b、bit

【一个字节】可以写成：1B、1Byte

(1B = 8b \ 1B = 8bit \ 1字节 = 8b \ 1字节 = 8bit \ 1Byte = 8b \ 1Byte = 8bit)

【一个字】不等于【一个字节】，【一个字】的大小取决于不同的计算机结构

3）各种【“字长”】的混淆理解

然后重点！！！！！区分【字长】、【机器字长 \ 存储字长】、【指令字长】

【字长】

当有人这么说：“一个N位的计算机以M位来表示地址”，要区分这个N位跟M位是啥！！！

；

【N位】是指计算机的【字长】，而【字长】就是【CPU内部用于计算整数运算的数据通路的宽度】，也就是【一次能处理多少位的数据】，CPU、数据总线、内存地址的设计跟它有关。

【M位】就是这个计算机的【地址总线的宽度】，也就是【地址码的长度】

；

那么我们前面说过，计算机是根据【地址】来寻找数据的，数据可以有无数种，但是【地址空间】就固定那么几个，你的地址码有N位，那么【存储器的存储体】里就要有（2的N次方）个【地址空间】。

这么说可能有点懵，这么解释吧：这个【N位】也就是【字长】，就是一个马路有多宽，一次能过多少载具；【存储体】就是一个小区，【M位】也就是【地址码的长度】，就是一个小区的门牌号，假设这个小区的门牌号是N位的，只用0跟1来组合，那不就是得准备（2的N次方）种组合的门牌号嘛，也就代表小区有（2的N次方）个商品房。

【指令字长】

就是一个【指令的二进制代码的位数】，一般是【存储字长】的整数倍

【指令字长】是【存储字长】的几倍，就需要几个周期来取出一个指令；如果相等，则取指令周期就是一个机器周期。

【机器字长 \ 存储字长】

【机器字长】就是【存储字长】，也就是一个【存储单元有多大】，通常是字节的倍数

例题：

一个8位的计算机以16位来表示地址，那么这个计算机系统要有（ B ）个地址空间

A、2的8次方 ×

B、2的16次方 √

4）MAR、MDR的位数、主存空间计算

1、MDR：

【MDR位数 = 存储字长】，【MDR位数】就相当于【一个存储单元的大小】

虽然【存储单元】是【存储体】里的东西，但是！请看下图，前面我们说了：【MDR】是用来【存数据】的，【存储体】里的数据被MAR取出来之后是要放到MDR那的，那么你MDR就必须得有存储体里一个存储单元的大小。这么说吧，你一个货架隔间能放一个货物，那你柜台也至少能放得下一个货物，不然从一个货架隔间取出的一个货物怎么放下到柜台那？

2、MAR：

【MAR的位数 = 能处理N位的二进制代码】

（这里的N位就是字面意思，xx就是2位，xxx就是3位，xxxx就是4位...）

【MAR的个数 = 0和1能凑成几种N位二进制代码 = 2的N次方】

（比如：MAR位数是2，那就能凑出【00、01、10、11】“2的2次方 = 4种”可能；位数是3，就能凑出【000、001、011、111、100、101、010、110】“2的3次方 = 8种”可能）

为什么呢？因为【MAR】是用来【存地址码】的，这么解释：还是假设【存储体】是一个小区，那么前面我们举例子小区有（2的N次方）个商品房，那么【MAR】就相当于这个小区的门牌号记录本、或者就是装所有门牌号的一个箱子，那有（2的N次方）个商品房，不久对应要有（2的N次方）个门牌号吗。

3、主存容量：

【存储体容量】=【2的MAR位数次方】*【MDR位数】/ 8bit

既然主存的数据指令都存在存储体里，那么【主存容量】就等于【存储体容量】了，那么【存储体容量】=【有几个存储单元】*【1个存储单元多大】，或者说【存储体容量】=【有几个存储单元】*【存储字长】

因为我们刚刚解释了MAR个数、位数、MDR位数，已知【MDR位数 = 存储字长】，【MAR个数 = 有几个存储单元】，那么【存储体容量】=【MAR个数】*【MDR位数】

而【MAR个数 = 2的MAR位数次方】，所以【存储体容量】=【2的MAR位数次方】*【MDR位数】

因为得到的结果最终要以字节单位的形式显示，所以一字节是8bit，那么就把容量结果除8bit就行了。

例题：

MAR和MDR位数分别为（ A ）

A、地址码长度、存储字长 √

B、存储字长、存储字长 ×

C、地址码长度、地址码长度 ×

D、存储字长、地址码长度 ×

5）存储器层次结构

存储器其实还分为【缓存-主存】、【主存-辅存】两层：

【缓存-主存】层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，速度接近缓存

【主存-辅存】层次主要解决存储系统的容量问题，容量接近与价位接近于辅存

那么可以发现，【寄存器】在【存储器】中有，在【CPU】中也有，那么既然【寄存器】就是在CPU内的，所以它对CPU的存取速度最快；然后是缓存【Cache】，它采用高速SRAM制作，对CPU的存取速度次快；最后是【内存】，常用DRAM制作，相对于CPU的存取速度最慢，但是它保证容量够大。

总结：对CPU的存取速度快慢，【寄存器】>【Cache】>【内存】

6）相联存储器

相联存储器（也称为关联存储器或缓存），是计算机体系结构中的一种存储器类型，用于提高计算机系统的性能。

它既可以按照地址寻址、又可以按内容（通常是某些字段）寻址，与传统存储器区别。

5、运算器

运算器主要就4个组成部分：【ALU算术逻辑单元】+【ACC累加器】+【MQ乘商寄存器】+【X通用寄存器】，当然还有很多别的寄存器，其中就一个比较重要的寄存器是【PSW状态寄存器】（又叫标志寄存器）

（还是建议大家记一下英文全称：ACC（Accumulate）、MQ（Multiplier-Quoetitent Register）、ALU（Arithmetic And Logic Unit））

【ALU算术逻辑单元】：最后进行运算的，最重要

【ACC累加器】：暂存一些乘积高位、被加数、被减数、被除数、和、差、余数，结果一般都存ACC这

【MQ乘商寄存器】：乘积低位、商

【X通用寄存器】：ACC或MQ这些寄存器要存放下一个数的时候，就先把数放它这个

6、控制器

主要由三部分组成：【CU控制单元】+【IR指令寄存器】+【PC程序计数器】

（还是建议大家记一下英文全称：CU（Control Unit）、IR（Instruction Register）、PC（Program Counter））

【PC程序计数器】：跑腿的，一条指令执行完就自动去找下一条指令的地址并存到IR那里，有自动【+1】的功能，就像朝廷里跑腿的信差。这也符合了前面“存储方式”的【按顺序执行指令】

【IR指令寄存器】：接收【指令】并保存，将【指令】拆成【操作码】和【地址码】，【操作码】给CU分析这是这么指令，【地址码】给存储器的MAR找到数据，像干杂活的大臣。

【CU控制单元】：分析【IR指令寄存器】给的【操作码】是啥意思，然后时机到了就给出【控制信号】，控制各个部件的各项工作。

7、一条指令到底是怎么执行的流程

这真是一个复杂的流程，我先放一张我自己画的贼丑的图片给各位看看吧，当然觉得画得丑的没法看可以跳过......

以这个表作为例子：

首先PC跑腿到【存储器】找【指令】去了，

PC拿着“取件码”（按顺序自动获取的指令的地址）去【存储器】找“快递员”MAR帮取指令，

取出来的指令先放“驿站柜台”MDR处，再通知IR过来“取货”；这就完成了【取指令】

【取指令】步骤写成专业术语就是：PC ——> MAR ——> M ——> MDR ——> IR

或：        (PC) ——> MAR

         M(MAR) ——> MDR

        (MDR) ——> IR

这里()代表这个设备携带着数据，但是在表示数据流通的过程时其实可以省略()，除了运算不能省略，比如 PC 自动+1执行下一条指令时要写 (PC)+1，而不是PC+1

接下来IR就要把【指令】拆分成【操作码】和【地址码】，

【操作码】拿给【CU】去分析 “这个指令是什么意思？”，分析出是“取数a到ACC”；完成【分析指令】

【地址码】去拿给MAR接着找数据，MAR找到数据之后就还是老样子，给到MDR存放，

（但是刚刚当【CU】分析完指令后，这次MDR就不是给IR了，而是应该把数据给运算器的ACC了，因为IR只会取【指令】然后到【控制器】那边分析指令，而ACC才是取【数据】回【运算器】那执行指令）MDR叫ACC过来“取货”；开始【执行指令】。

【分析指令】步骤专业术语：OP(IR) ——> CU

OP意思就是option，选择、操作

；

【执行指令】步骤专业术语：AD(IR) ——> MAR ——> M ——> MDR ——> ACC

或： AD(IR) ——> MAR

M(MAR) ——> MDR

(MDR) ——> ACC

接下来(PC)+1，到下一条指令，还是大致走一遍上面的流程

然后这时候已经获得a=2，b=3这两个数据了，要执行a*b这个操作了，轮到【运算器】登场

刚刚【ACC】已经获得了a=2，那等会因为所有的【计算结果】他还需要再去接收，也就是a*b的结果，那就得先把a=2给【x通用寄存器】，然后第二个数据b=3其实是【MQ】去“取货”的，因为【ACC】取乘积高位，【MQ】取低位，所以现在MQ装着a=2、x装着b=3；

然后【CU】开始控制运算器干活了，它下命令让【ALU】开始运算了，【ALU】无奈只好把装着数据的【MQ】跟【X】强行交合融合（就是相乘...），最终得到【a*b= 2*3 = 6】，然后把结果给到【ACC】，一切结束。

专业术语就是：

ACC ——> X

CU ——> ALU

ALU ——> （MQ）与（X）运算

ALU ——> ACC结果

总结第二大点的例题：

1、存放当前执行指令的寄存器是（ D ）

A、MAR ×

B、PC ×

C、MDR ×

D、IR √ ——> IR指令寄存器，专门去MDR取指令存放，除此之外还要拆分指令成【操作码】和【地址码】

2、CPU不包括（ C ）

A、地址寄存器 √ ——> MAR，前面说了MAR、MDR都可以才CPU里也有

B、指令寄存器 √ ——> IR，控制器里的东西，控制器属于CPU

C、地址译码器 × ——> 它是主存里的东西，既不是MAR也不是MDR，就是不属于CPU

D、通用寄存器 √ ——> X，运算器的东西，运算器属于CPU

3、CPU组成中不包括（ C ）

A、寄存器 √ ——> 注意：现代计算机中存储器、CPU里都有

B、运算器 √

C、存储器 ×

D、控制器 √

4、下列正确的是（三个都对）

A、实际应用程序的测试结果能够全面代表计算机的性能 √

B、系列机的基本特性是指令系统向后兼容 √ ——> 指时间上向后兼容，新系统兼容老系统

C、软件和硬件在逻辑功能上是等价的 √

5、关于相联存储器，下列说法正确的是（ C ）

A、只可以按地址寻址 ×

B、只可以按内容寻址×

C、既可以按地址寻址，也可以按内容寻址 √

D、上述说法都对 ×

三、计算机系统层次结构

1、三大级别语言

机器语言：机器能看得懂，能直接执行的语言，就是0、1二进制代码

汇编语言：使用英文单词或英文单词缩写作为【助记符】，方便人理解，写完的代码翻译成机器语言后才能被机器运行

高级语言：我们现在学的C、C++、JAVA...这些代码，要先转成汇编语言，然后由汇编程序传承机器语言才能被执行。

那么需要记住的几个特点是：

1、机器只会机器语言，除此之外任何语言他都看不懂，其它语言都必须转成机器语言才能被机器执行，所以机器只会直接执行机器语言。

2、不管机器语言、汇编语言、高级语言都能写出相同功能的东西，因为本质就是一个操控机器的语言而已，只是有难有简单，只要你够牛逼，你用机器语言0跟1也能写出《黑神话·悟空》，只不过你得有超人脑子跟几万年的寿命......

3、汇编语言要直接翻译各种不同设备的机器语言，因此要对应不同的设备的不同指令集，所以汇编语言跟设备结构密切相关

2、翻译程序

【翻译程序】，就是把高级语言程序转化成机器语言程序，汇编程序也是一种翻译程序，他把汇编语言翻译成机器语言。

【翻译程序】里其实也分为编译程序跟解释程序两种：

解释程序：你写好的代码程序，按顺序一句一句翻译成机器指令，并直接执行，特点就是读一句干一件事比较慢，也不会产生目标代码文件，用一次翻译一次，但是可以翻译成机器语言直接执行。（常见的有：java、JavaScript、shell、python....）

编译程序：你写好的代码程序，整个编译完后翻译成汇编语言或机器语言，特点是这样比较快，编译过后会产生目标代码文件（或者叫可执行文件，比如C语言产生的.exe文件），编译一次以后可以不用编译直接执行。（常见的有：C、C++、C#、Rust...）

3、两种程序编译执行的过程不同

编译程序：

解释程序：

例题：

1、将高级语言源程序转换成可执行文件的主要过程是（ A ）

A、预处理 —> 编译 —> 汇编 —> 链接 ——>翻译程序里，会产生可执行文件的只有编译程序，而编译程序的顺序就是这样

B、预处理 —> 汇编 —> 编译 —> 链接

C、预处理 —> 编译 —> 链接 —> 汇编

D、预处理 —> 汇编 —> 链接 —> 编译

2、将高级语言程序转成机器级目标代码文件的程序是（ C ）

A、汇编程序

B、连接程序

C、编译程序 ——>翻译程序里，会产生目标代码文件的只有编译程序

D、解释程序