2.1       计算机系统基本原理

计算机的工作原理是存储程序控制，计算机的理论模型——图灵机与冯·诺依曼计算机奠定了计算机的基本思想和结构，是计算机发展史上的里程碑事件。

2.1.1       计算机系统理论模型

“图灵机”是由英国的数学家阿兰·麦席森·图灵（1912～1954）于1936年在一篇论文中首次提出的计算模型，成为现代计算机的理论模型。

1.“图灵机”基本思想

图灵机是一个理论模型，该理论模型描述的是一个假想的机器，该机器具有有穷的、可描述的工作过程，并且过程需要由离散的、可执行的有限步骤来完成。

2.冯·诺依曼结构计算机

冯·诺依曼认为计算机基本思想是存储程序和程序控制（也称存储程序控制原理）,依据冯·诺依曼思想制造的计算机被称为“冯·诺依曼结构”计算机。冯·诺依曼奠定了现代计算机的基本结构和设计原则，被誉为“数字计算机之父”。

上述五种基本功能分别由“冯·诺依曼结构”确定的五大部分实现，即运算器、控制器、存储器、输入设备与输出设备。现代计算机普遍采用以存储器为中心的“冯·诺依曼结构”。

2.1.2         计算机系统组成

人们通常所说的“计算机”，实际上是一个完整的计算机系统，它由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统是计算机的物质基础；软件系统则是计算机的灵魂，二者相互依存，共同发展。

1.计算机系统基本组成

计算机系统是依据人的需求和设计对输入的信息进行存储，自动处理和计算并输出结果的机器系统，是人脑智慧的延伸和扩充。图2-6所示为计算机系统基本组成。计算机系统通常由硬件系统和软件系统两大部分组成，未安装任何软件的计算机称为裸机。

（1）硬件

硬件是计算机系统实体设备的统称，主要包括主机部分与外部设备。

（2）软件

软件是在解决具体问题过程中与计算机系统操作有关的程序、数据与文档。

2.计算机系统层次结构

计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，计算机系统按组成可以分为三个层次结构，分别为硬件/固件层、系统软件层、应用软件层。

3.计算机系统分类

计算机系统可按系统的功能、性能或体系结构分类。

（1）       根据计算机的信息处理方式划分

可以分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机。

（2）       根据计算机的设计目的划分

可以分为通用计算机与专用计算机。

（3）       根据计算机的应用领域不同划分

可以分为超级计算机、网络计算机、工业控制计算机、嵌入式计算机和个人计算机。

（4）       根据计算机的系统结构划分

分为诺依曼机与非诺依曼机。

2.1.3        计算机系统工作过程

1.BIOS启动计算机过程

BIOS主要完成三个工作：

（1）上电自检（Power OnSelf Test，简称POST）：电脑刚接通电源时检查电脑硬件部分是否良好，发现问题提示错误信息或发出蜂鸣声。

（2）初始化：主要进行BIOS硬件参数的设置，当电脑启动时发现设置参数与实际硬件参数不符时将无法正常启动。

（3）引导程序：BIOS按照启动顺序读取磁盘最前面的一段引导代码即主引导记录（Main BootRecord，简称MBR）以启动设备，其中，主引导扇区记录着硬盘本身的相关信息以及硬盘各个分区的大小及位置信息。接着通过卷引导记录找到操作系统在硬盘上某个分区的位置，通过MBR将操作系统内核载入内存，最后，将控制权转转交给操作系统，计算机启动过程完成。

2.操作系统服务

操作系统（Operating System，简称OS）通过用户开启和关闭计算机电源实现开始和结束操作，开启操作与关闭操作是否正常直接影响到操作系统的运行的稳定性。操作系统完成的工作主要包含以下几个方面：

（1）硬件设备管理

硬件设备管理是指对计算机硬件设备的管理。

（2）程序与进程的管理

用户通过程序与进程管理工具（如任务管理器）查看系统当前运行的应用程序、进程、服务、CPU和内存的使用情况以及联网情况。

（3）资源与服务管理

用户可以通过资源管理工具（如资源管理器）管理数据库以及文件系统中的数据，通过树型结构可以查看计算机所有文件和文件夹并执行对文件的各种操作。

2.1.4       计算机性能评价指标

评价计算机系统性能的指标有很多，对于不同的系统而言，评价指标的意义也有所不同。

1.字长

字长是指CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数，取决于算术逻辑单元与寄存器的位数，是衡量计算机性能的最重要的指标之一。

2.处理速度

通常所说的CPU处理速度，是指每秒钟所能执行的指令条数，是CPU速度的重要指标，采用“百万条指令/ 秒”（MIPS）来描述。

3.辅助存储器容量

辅助存储器包含的种类较多，如硬盘、光盘、U盘、磁带等。辅助存储器容量决定着计算机所能存储的总数据量。

4.吞吐率

吞吐率是在单位时间内完成的事物数或者作业数，是系统和它的部件传输数据请求能力的总体评价。

5.响应时间

响应时间指单个事务或作业从发出请求到响应所经历的时间间隔。响应时间是用户对系统性能最直观的体验，对于用户而言，响应时间越短越好。

6.主频

CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率，是单位时间内CPU发出的脉冲数。

7.兼容性

兼容性是指硬件与软件之间协同工作的配合程度以及硬件与软件使用不同型号或者版本时是否具有通用性。

8.功耗

对芯片的高性能追求使芯片的设计越来越复杂，功耗也不断增大。