2.1 计算机系统概述

1. 定义与构成：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。硬件是系统的物理实体；软件是指挥硬件运行的指令与数据集合。
2. 逻辑等价性：硬件和软件在逻辑功能上是等价的（某些功能既可用硬件线路实现，也可用软件算法实现）。
3. 层次结构：从底层硬件（微架构、指令集）到操作系统、中间件，再到最顶层的应用软件，构成了计算机系统的多级抽象层次。

2.2 计算机硬件

硬件是计算机系统的物理基础，采用冯·诺依曼架构体系。

2.2.1 硬件组成结构

• 五大基本部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
• CPU 的集成：现代计算机将运算器和控制器高度集成封装在一起，统称为中央处理器（CPU）。

2.2.2 处理器（CPU）

1. 指令集架构架构分类：

• CISC（复杂指令集计算机）：指令丰富且长度可变，寻址方式多，专有电路复杂。典型代表：Intel/AMD x86。
• RISC（精简指令集计算机）：指令数量少且定长，寻址方式精简，大多数指令在一个时钟周期内完成，便于流水线化。典型代表：ARM、MIPS、RISC-V。

1. CPU 内部核心部件：

• 控制单元与指令部件：译码并产生控制信号。
• 算术逻辑单元（ALU）：进行算术与逻辑运算。
• 寄存器组：提供极高速的数据临时存储。
• 内存管理单元（MMU）：负责虚拟地址到物理地址的映射转换与内存访问权限保护。
• Cache 部件：降低 CPU 读写主存的等待延迟。

1. 专用处理器：

• GPU（图形处理器）：包含大量并行计算单元，擅长处理海量同构数据的并发计算（图形渲染、AI/深度学习）。
• DSP（数字信号处理器）：采用哈佛架构，专为实时数字信号处理（如音频、视频、通信信号）优化。
• FPGA（现场可编程门阵列）：逻辑可重构的硬件，具备极高并行性和硬件定制能力。

2.2.3 存储体系（Memory Hierarchy）

为了兼顾速度、容量、成本，计算机采用多级存储结构：

存储层次	物理介质	速度/成本	典型容量	特点与用途
寄存器	CPU 内部	极快 / 极高	几 KB	CPU 内部直接操作

|
| 片上 Cache (L1/L2) | SRAM | 很快 / 很高 | 几 KB ~ 几 MB | 缓解 CPU 与主存速度差

|
| 主存 (内存) | DRAM | 中等 / 中等 | 几 GB ~ 几十 GB | 存放正在运行的程序和数据

|
| 外存 (辅存) | Flash/SSD/HDD | 较慢 / 极低 | 几百 GB ~ 几 TB | 断电后数据不丢失，长期保存数据

|

• 局部性原理：
• 时间局部性：如果一个数据/指令被访问，近期很可能再次被访问。
• 空间局部性：如果一个数据/指令被访问，其相邻的数据/指令近期也很可能被访问。

2.2.4 总线结构（Bus）

总线是连接计算机各部件传输信息的公共通信线。

分类：

• 内部总线/片上总线：芯片内部模块间通信（如 AXI、AHB）。
• 系统总线/局部总线：连接 CPU、内存与高速外设，细分为：
• 地址总线：指定内存/外设地址（决定寻址范围）。
• 数据总线：传输数据（决定单次传输宽度）。
• 控制总线：传输控制与状态信号。
• 外部/通信总线：计算机与外部设备间的连接通信。

2.2.5 接口与外设

• 常用总线/接口标准：
• PCIe：串行点对点高速扩展总线，用于显卡、NVMe 固态硬盘扩展。
• USB：通用串行总线，支持热插拔。
• SATA / NVMe：存储设备数据传输接口。
• CAN 总线：控制器局域网总线，广泛应用于车载与工业控制。
• 网络接口：以太网接口（RJ-45）。

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2.3 计算机软件

软件是计算机系统中的程序、文档和数据的总和。

2.3.1 软件划分与作用

1. 系统软件：独立于特定应用领域，用于管理计算机软硬件资源、提供底层支撑。

• 包含：操作系统、语言处理程序（编译器/解释器）、数据库管理系统（DBMS）、中间件等。

1. 应用软件：为解决特定的具体业务或用户需求而开发的软件。

2.3.2 操作系统（OS）核心

操作系统是计算机系统中最核心的系统软件，充当硬件资源管理者与用户/应用接口。

1. 核心四大管理功能

• 进程/线程管理：调度 CPU，解决并发运行、同步互斥与死锁控制。
• 存储管理：负责内存的分配/回收、地址转换以及虚拟内存（Virtual Memory）管理。
• 文件管理：管理外存数据的组织、存取、目录管理与权限控制。
• 设备管理：通过驱动程序管理外设输入输出，提供统一接口并实现缓冲与中断处理。

2. 操作系统内核与运行模式

• 内核（Kernel）：常驻内存，运行于最高特权级（内核态/特权态），可执行特权指令。
• 用户态与内核态转换：应用程序运行在用户态，必须通过系统调用（System Call）、中断或异常切换到内核态，以请求操作系统提供底层硬件服务。

3. 操作系统三大基本特征

• 并发性：两个或多个事件在同一时间段内发生（区别于并行：同一时刻发生）。
• 共享性：系统中的资源可供多个并发进程共同使用（互斥共享与同时共享）。
• 虚拟性：将物理上的一个实体转化为逻辑上的多个对应物（如虚拟 CPU、虚拟内存）。

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2.4 计算机网络基础 (系统架构视角的网络底座)

1. 网络体系结构：

• OSI 7层模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
• TCP/IP 4层模型：网络接口层、网际层（IP）、传输层（TCP/UDP）、应用层（HTTP、DNS、RPC 等）。

1. 核心协议与机制：

• TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输、流量控制（滑动窗口）与拥塞控制。
• UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠、开销小、实时性强。

1. 网络设备工作层次：

• 集线器/中继器：物理层。
• 网桥/二层交换机：数据链路层（基于 MAC 地址转发）。
• 路由器/三层交换机：网络层（基于 IP 地址路由）。

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2.5 系统性能指标与评估评估技术

2.5.1 系统核心性能指标

• 响应时间（Response Time）/ 延迟（Latency）：系统完成某个请求或任务所需的总时长。
• 吞吐量（Throughput）：系统在单位时间内成功处理的请求或任务数量（如 TPS、QPS）。
• 资源利用率：CPU、内存、网络带宽、磁盘 I/O 的使用率百分比。
• 处理能力指标：
• MIPS：每秒执行百万条指令数。
• MFLOPS / GFLOPS / TFLOPS：每秒执行百万/十亿/万亿次浮点运算数。

2.5.2 性能评估与评测方法

1. 时钟频率与 CPI 法：

1. 基准测试程序（Benchmark）：

• 目前最公认、客观的评价方法。
• 典型代表：SPEC Benchmark（测试 CPU/内存/系统综合性能）、TPC Benchmark（TPC-C/TPC-H 测试数据库和事务处理性能）。

1. 阿姆达尔定律（Amdahl's Law）：

• 指出通过加速系统某一部分所能获得的整体性能提升上限：

• 其中

  

  为可增强部分的比例，

  

  为该部分的增强倍数。