计算机组成原理第 1 章：计算机系统概述总览
本页有两个身份。 上半部分是第 1 章的导航；下半部分是整本《计算机组成原理》的地图——七章的关系、贯穿全书的隐线、跨章公式总表。
第 1 章是最后写的，正因为如此，它能把前面六章已经建立起来的东西汇总在一处。
上篇：第 1 章导航
这一章不难，但考点密度很高。「体系结构 vs 组成」「透明」「主机的范围」「MAR/MDR/PC/IR 的位数」「
章节导航
*1.1 计算机发展历程 *选学
| 节 | 页 | 一句话 |
|---|---|---|
| *1.1.1 | 计算机硬件的发展 | 四代按主要逻辑器件分；ENIAC 不是存储程序机；摩尔定律的对象是集成度 |
| *1.1.2 | 计算机软件的发展 | 三级语言；编译 vs 解释的判据是生不生成目标程序；软硬件功能等价 |
1.2 计算机系统层次结构
| 节 | 页 | 一句话 |
|---|---|---|
| 1.2.1 | 计算机系统的组成 | ⭐ 主机 = CPU + 主存，不含辅存 |
| 1.2.2 | 计算机硬件 | ⭐ 冯·诺依曼五特点；MAR/MDR/PC/IR 的位数；以存储器为中心 |
| 1.2.3 | 计算机软件 | 源程序/目标程序；汇编语法不属于 ISA |
| 1.2.4 | 计算机系统的层次结构 | ⭐ 体系结构 vs 组成 = 程序员看不看得见；「透明」是”看不见” |
| 1.2.5 | 计算机系统的工作原理 | ⭐ 存储程序；五步链条；取指的四条传送 |
1.3 计算机的性能指标
| 节 | 页 | 一句话 |
|---|---|---|
| 1.3.1 | 计算机的主要性能指标 | ⭐ |
| 1.3.2 | 几个专业术语 | 系列机 = 同 ISA 不同实现；新跑旧成立，旧跑新不成立 |
本章高频边界
完整清单（54 条）在名词库末尾。这里只列最容易翻车的。
| 说法 | 判断 |
|---|---|
| 主机 = CPU + 主存 + 硬盘 | ❌ 硬盘是外设 |
| 指令系统属于计算机组成 | ❌ 属于体系结构 |
| Cache 容量属于体系结构 | ❌ 属于组成，对程序员透明 |
| ”透明”就是清楚可见 | ❌ 恰恰相反：看不见 |
| 所有计算机都有 M0 微程序机器级 | ❌ 硬布线控制器没有 |
| M2~M4 是实际机器 | ❌ 都是虚拟机器 |
| IR 的位数等于存储字长 | ❌ 等于指令字长 |
| PC 的位数等于指令字长 | ❌ 等于 MAR 位数 |
| 现代计算机以运算器为中心 | ❌ 以存储器为中心 |
| ENIAC 采用存储程序方式 | ❌ 用插线设置程序 |
| 主频越高性能越好 | ❌ 还要看 |
| IC 是程序里写的指令条数 | ❌ 是动态执行条数 |
| 各类指令的 CPI 直接取平均 | ❌ 按动态条数加权 |
| 链接由操作系统完成 | ❌ 链接归工具链，装入才归 OS |
| PC+1 中的 1 表示 1 个字节 | ❌ 表示一条指令的长度 |
| 旧机器能运行新机器的程序 | ❌ 触发非法指令异常 |
| 固件是硬件 | ❌ 本质是软件 |
计算模板
| 量 | 公式 | 注意 |
|---|---|---|
| 主存容量 | MAR 位数由单元个数定 | |
| CPU 执行时间 | ||
| 加权平均 CPI | 不能算术平均 | |
| MIPS | 不能跨 ISA 比较 | |
| 阿姆达尔 | ||
| VRAM（第 7 章） | 色深先取 |
审题四问：①
下篇：《计算机组成原理》全书地图
七章在讲同一件事的七个侧面
整本书回答的是同一个问题：一条 C 语句怎么变成电平变化，以及这个过程怎么才能更快。
flowchart TD C1["第 1 章 系统概述<br/>把地图画出来"] --> C2["第 2 章 数据的表示和运算<br/><b>用什么表示</b>"] C2 --> C4["第 4 章 指令系统<br/><b>用什么命令操作</b>"] C4 --> C5["第 5 章 中央处理器<br/><b>谁来执行</b>"] C2 --> C3["第 3 章 存储系统<br/><b>放在哪</b>"] C3 --> C5 C5 --> C6["第 6 章 总线<br/><b>靠什么互连</b>"] C6 --> C7["第 7 章 输入/输出系统<br/><b>怎么与外界交换</b>"] classDef c1 fill:#f3e5f5,stroke:#6a1b9a,stroke-width:3px classDef data fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0 classDef exec fill:#ffcdd2,stroke:#b71c1c classDef conn fill:#c8e6c9,stroke:#1b5e20 class C1 c1 class C2,C3 data class C4,C5 exec class C6,C7 conn
| 章 | 三级节 | 回答什么 | 索引 |
|---|---|---|---|
| 1 计算机系统概述 | 9 | 系统由什么组成、程序怎么跑、怎么评价性能 | 本页 |
| 2 数据的表示和运算 | 12 | 数怎么表示、怎么算 | → |
| 3 存储系统 | 23 | 程序和数据放在哪、怎么又大又快 | → |
| 4 指令系统 | 14 | 能对硬件下什么命令 | → |
| 5 中央处理器 | 25 | 指令怎么被执行 | → |
| 6 总线 | 7 | 部件之间怎么连 | → |
| 7 输入/输出系统 | 10 | 怎么与外部世界交换 | → |
| 合计 | 100 |
第 1 章的每一节都是某一章的入口：
| 第 1 章的内容 | 在哪一章被兑现 |
|---|---|
| 二进制表示指令和数据（1.2.2） | 第 2 章（2.1） |
| 主存储器、MAR/MDR（1.2.2） | 第 3 章（3.2.3） |
| 指令由操作码和地址码组成（1.2.2） | 第 4 章（4.1.2） |
| 编译链接五步（1.2.5） | 第 4 章（4.1.1） |
| 取指的四条传送（1.2.5） | 第 5 章（5.2.1） |
| PC / IR / CU（1.2.2） | 第 5 章（5.1.3） |
| M0 微程序机器级（1.2.4） | 第 5 章（5.4.3） |
| 以存储器为中心（1.2.2） | 第 6、7 章（7.3.3 DMA） |
| 南桥北桥、内存控制器（1.2.2） | 第 6 章（6.1.3） |
| 全书——每一项优化都在动其中一个 |
贯穿全书的九条隐线
这是本页最值得反复看的一节。 这九条各自在两章以上出现，认出一条，就少背好几张对照表。
① 「有符号 / 无符号」是解释的属性，不是数据的属性
硬件只有一串位、一个加法器。 有符号与无符号的区别只发生在五处：溢出判据、比较、右移、除法、扩展。
立于 2.1.3，引用于 2.1.4、2.2.3、2.2.4。
② 「面积换时间」
把串行的过程摊开成并行的电路，用更多晶体管换更短的关键路径。
③ 「延迟和带宽是两个独立的量」
第 3 章除 Cache 外的所有提速手段，都只提高带宽，一次访问的延迟一点没缩短。
SDRAM 的同步、DDR 的双沿、多体交叉、突发传送——一个都没让”读一个字要多久”变短。
立于 3.1.2，引用于 3.2.1、3.2.4、6.1.5。
它的第 1 章版本就是 1.3.1 的「响应时间 vs 吞吐量」。
④ 「Cache—主存」与「主存—辅存」是同一思想的两次应用
全部差别由一件事推出：未命中代价相差六个数量级。
3.6.5 用它现场推出四条结论（全相联 / 只用写回 / 交给 OS 并切换进程 / 页大两个数量级）——比背对照表更常考。
⑤ 「地址翻译分层」
“地址”这个词在书里指过至少六种不同的东西，混在一起就全乱了。分层见 4.2.1，跨到 3.6.2 与 OS 的页表。
⑥ 「要整齐就得按最慢的来」——全书出现 7 次
这是出现次数最多的一条。 每一次的形式不同，代价形式也不同：
| # | 出处 | 谁按谁定 | 代价 |
|---|---|---|---|
| 1 | 5.2.1 | 机器周期按访存时间定 | 不访存的操作也占一个机器周期 |
| 2 | 5.2.3 | 单周期方案按最慢指令定 | 简单指令陪着等 |
| 3 | 5.4.2 | 同步控制的节拍按最慢操作定 | 控制简单，时间浪费 |
| 4 | 5.6.1 | 流水段按最慢段定 | 段间不均衡就有浪费 |
| 5 | 5.6.2 | 快指令补空段陪着走完 | 换来写端口不冲突、完成顺序不乱 |
| 6 | 6.2.2 | 同步总线按最慢从设备定拍数 | 快设备只能陪着等 |
| 7 | 7.1.3 | 定时查询按最慢设备定轮询间隔 | 太长丢数据，太短接近独占 |
它的对立面也是同一条线索：异步定时（6.2.2）、多周期方案（5.2.3）、中断（7.3.2）都是在说”别整齐了，各按各的速度来”——代价是需要握手、需要额外的控制。
⑦ 「多个请求者争一个资源」——出现 5 次，分界线是「事前预约 vs 事后补救」
| 出处 | 争什么 | 谁裁决 | 会不会冲突 |
|---|---|---|---|
| 5.5.3 中断判优 | CPU 的响应 | 判优电路 | 事前，不冲突 |
| 6.2.1 总线仲裁 | 总线使用权 | 仲裁器 | 事前，不冲突 |
| 令牌环（计网） | 介质使用权 | 令牌本身 | 事前，不冲突 |
| 7.3.3 DMA 与 CPU 争总线 | 主存/总线周期 | 优先级固定，DMA 优先 | 事前，不冲突 |
| 以太网 CSMA/CD（计网） | 介质使用权 | 没有裁决者 | 允许冲突，事后重传 |
真正的分界不是”总线 vs 网络”，而是「事前预约」还是「事后补救」。 前四个在同一侧，只有以太网单独在另一侧——它敢碰撞，是因为上面还有一层重传。
⑧ 「功能往硬件里搬」——速度上去，成本和灵活性下来
| 出处 | 搬进硬件的是什么 | 换来 / 付出 |
|---|---|---|
| 1.1.2 | 软硬件逻辑等价（这条线的总纲） | —— |
| 2.2.1 | 进位传播、逐位乘加 | 快；面积换时间 |
| 4.4.1 | 一整段常用操作 | |
| 5.4.2 | 控制信号的产生 | 快；改不动 |
| 7.3.3 | 数据搬运 | CPU 解放；硬件复杂、要争总线 |
⑨ 「把慢的关在外面」
不让慢的东西占住公共资源，这是提高利用率的通用手法。
| 出处 | 把什么关在外面 |
|---|---|
| 6.2.1 分离事务 | 从设备准备数据的时间不占总线 |
| 7.2.1 接口缓冲 | 设备的慢不占总线 |
| 3.5.2 Cache | 主存的慢大部分不出现在 CPU 面前 |
| 5.6.5 乱序执行 | 一条卡住的指令不挡住后面的 |
全书公式总表
| 章 | 公式 | 用在哪 |
|---|---|---|
| 1.2.2 | 容量题的起点 | |
| 1.3.1 | 全书性能分析的总口径 | |
| 1.3.1 | 阿姆达尔 | |
| 3.1.2 | 平均访问时间 | |
| 3.5.2 | Cache 性能 | |
| 5.6.4 | 流水线加速比 | |
| 6.1.5 | 总线带宽 | |
| 7.1.2 | 显存容量 | |
| 7.3.x | 查询/中断/DMA 的 CPU 占用率 |
跨章的三处「教材编排 ≠ 原理归属」
本笔记有三处刻意与教材的章节编排不同，都是因为”原理在别处”：
| 内容 | 教材放在 | 本笔记归到 | 理由 |
|---|---|---|---|
| 中断的完整机制（隐指令、向量、判优、屏蔽字、嵌套） | 7.3.2 | 5.5.3 | 原理属于 CPU，分开记两边都记不牢 |
| 编译链接五步 | 1.2.5 | 4.1.1 | 它的机制细节属于 ISA |
| 总线仲裁的三种电路 | （2026 目录无此节） | 5.5.3 | 与中断判优同构，讲一次即可 |
三处的处理手法相同：原理页写透，教材所在的那一节写”接口”——列清分工，只补该节特有的部分。
复习顺序（全书）
若从零开始，按这个顺序读，每一章都能用上前一章：
- 第 1 章（本章）—— 先把地图和
公式立住。 - 第 2 章 —— 数怎么表示，这是后面一切的基础。
- 第 3 章（最厚）—— 存储层次，全书分值最高。
- 第 4 章 —— 指令系统，接第 2 章的编码。
- 第 5 章（节数最多）—— CPU，接第 4 章的指令。
- 第 6 章 —— 总线，接第 5 章的数据通路。
- 第 7 章 —— I/O，用到第 5 章的中断和第 6 章的主从判据。
若时间紧，按分值：第 3 章 > 第 5 章 > 第 4 章 > 第 2 章 > 第 7 章 > 第 6 章 > 第 1 章。
但第 1 章不能跳——它的概念题是送分题，而且1.2.4 的「体系结构 vs 组成」是判断题的常客。
链接
- 📖 名词库：第 1 章名词库
- 📜 原始提问档案：第 1 章 原始提问档案（本地资料）
- 📦 旧版归档：第 1 章归档目录（本地资料）
- 📚 权威节号：王道 2026 教材目录
- ➡️ 下一章：第 2 章 数据的表示和运算
- 💻 OS 对应章：操作系统第 1 章 计算机系统概述
- 🏗️ 施工文档：OS + 计组 笔记体系重构计划（本地资料）