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计算机系统的层次结构

硬件 - 构成计算机系统的实体

硬件是计算机系统的核心基础，指的是构成计算机的实体设备，包括CPU、主板、存储器、输入输出设备等 physical components。它们共同构成了计算机系统的物质基础。

软件 - 节省表达方式

软件是从硬件中抽象出来的内在表达方式，包含数据和控制程序等无形资源。软件通过表达方式将硬件转化为功能性资源，成为计算机最重要的组成部分。

主要功能部件

1. CPU

CPU 是计算机的运算核心，由运算器和控制器等功能模块组成。其核心是 ALU（算术逻辑单元），负责执行算术、逻辑运算及移位循环。ALU 是 CPU 的主要执行模块，运算器的数据宽度通常为 8 位、16 位、32 位或 64 位。

2. 运算器

运算器的功能是执行算术和逻辑运算，由 ALU 组成。ALU 具备多种运算功能，其核心是全加器。运算器的位数越多，计算精度越高，但同时也会使硬件复杂度增加。

3. 控制器

控制器生成微命令，统筹全机运行。其基本组成包括ạ控制单元、时钟生成器、序存器和除法执行器。通过饱和度和周期的调控，全机操作。

4. 存储器

存储器用于保存数据和程序信息，全为二进制代码。存储单元为存储电路群组，地址为其标识符。存储容量单位包括 KB、MB、GB 等。内存较小且高速度，而辅存储器容量大但速度缓慢。

5. 输入输出设备

输入输出设备负责信息的输入输出处理，包括键盘、鼠标、打印机、声卡等。

6. 总线 BUS

总线是多个组件分时共享的信息传输通路，以数据、地址或控制信号形式工作。常分为数据总线、地址总线和控制总线。

7. 接口

接口提供数据转换和缓冲功能，用于系统组件互联，支持多种外设连接，如 USB、HDMI 等。

计算机硬件架构

微型计算机 - 南北桥架构

微型计算机采用南北桥架构，通过特定的总线实现硬件分工。

小型计算机 - 多处理机架构

采用多处理机架构，通过多 CPU 芯片分享总线资源。

超级计算机 - 集群式架构

采用集群式架构，包含多个节点形成计算能力。

多处理机系统架构

多处理机系统分为松散偶合型和紧密偶合型，根据节点间连接程度决定。松散型无全局主存，紧密型有全局资源共享。

软件系统层次

软件按功能分为系统程序和应用程序。不论软件，均可硬化为硬件以提升运行效率。

软件与硬件对比

软件特点

轻松实现多种逻辑功能，改动频繁，但受限于速度和容量。

硬件特点

高效实现运算功能，固定逻辑结构，改动困难，但难以实现复杂功能。

软件与硬件的模拟

软件可转化为硬件以提升性能，但需平衡硬件复杂度。