news 2026/10/15 19:26:43

系统架构设计师笔记 05:第2章硬件与软件基础,冯诺依曼结构怎么考

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张小明

前端开发工程师

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系统架构设计师笔记 05:第2章硬件与软件基础,冯诺依曼结构怎么考

第 2 章翻开来给人的第一感觉是"什么都有":硬件、软件、嵌入式、网络、语言、多媒体、系统工程、性能,八十页塞了九块内容。真正属于计算机组成与操作系统的只有开头这八页(24~32 页),剩下的篇幅被网络和语言分走了大半。

所以这块的读法不是"啃",是"记骨架"。教材给的骨架非常清楚,八个页码里就两件事:计算机由什么组成、软件分几类。考点也全是送分题——给你一个部件问它干什么,给你一个术语问它属于哪一类。这篇就把这八页摊开。

一、2.1:计算机系统就是硬件加软件

教材 2.1 讲得极简,一句话能概括:计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成,二者相互依存,缺一不可。

判断标准很朴素:摸得着的是硬件,摸不着的是软件。硬件是软件运行的物质基础,软件是硬件功能的扩充。选择题爱在这儿埋一个坑——“没有安装任何软件的计算机称为裸机”,这句是对的;"裸机可以完成所有计算任务"是错的,没有软件它什么都干不了。

二、2.2.1:冯诺依曼五大部件

教材 2.2.1 讲的是冯·诺依曼体系结构,这是所有组成原理题的出发点。他提了两条:

  1. 计算机由五大部件组成;
  2. 指令和数据以二进制形式存放在存储器中,按地址访问,并且程序可以存储(存储程序原理)。

第二条是冯诺依曼结构区别于早期计算机的关键——程序不再是插线板上的物理连线,而是和数据一样躺在内存里的东西。

五大部件各自干什么,这是必考的对照点:

部件干什么现代机器里对应什么
运算器做算术运算和逻辑运算CPU 内的 ALU
控制器取指令、分析指令、发出控制信号,指挥各部件协同CPU 内的控制单元
存储器存放程序和数据内存 + 外存
输入设备把外部信息送进计算机键盘、鼠标、扫描仪
输出设备把处理结果送出来显示器、打印机

口诀:运、控、存、入、出——五个字,按顺序记,考场上不会漏。

有个易混点值得单独说:运算器和控制器合起来是中央处理器(CPU),CPU 不是第五个部件,它是前两个部件的合称。题干问"冯诺依曼五大部件不包括以下哪个",如果选项里同时出现 CPU 和运算器,那 CPU 就是那个"不包括"——因为它是合称,不是独立的第五件。

三、2.2.2~2.2.6:处理器、存储器、总线、接口、外部设备

这几小节加起来才两页(25~27),教材是速写式的,考点也就停留在"认得名字"的层面。

处理器(2.2.2)。CPU 内部由运算器、控制器、寄存器组和内部总线组成。运算器做算术与逻辑运算,控制器负责取指、译码、执行并发出控制信号,寄存器组是 CPU 内部最快的一小片存储。这里常考的是"CPU 中不包括以下哪个",干扰项通常是内存或硬盘——它们在主板上,不在 CPU 里。

存储器(2.2.3)。教材给了几种分类维度,这是最容易记乱的一处:

分类维度分出来的类别说明
按所处位置内存(主存)、外存(辅存)内存能被 CPU 直接访问,外存不能
按存取方式随机存取、顺序存取、直接存取内存随机,磁带顺序,磁盘直接
按读写功能RAM、ROMRAM 可读写、断电丢失;ROM 只读、断电不丢
按存储介质半导体、磁、光内存是半导体,磁盘是磁,光盘是光

RAM 和 ROM 的对照是选择题高频:RAM 断电后信息丢失,ROM 断电后信息保留。题干问"存放 BIOS 的是哪种",答案是 ROM。

存储层次从上到下是:寄存器 → 高速缓存 Cache → 主存(内存)→ 外存(辅存)。越往上速度越快、容量越小、单位成本越高。这个顺序记牢,问"下列存储器中存取速度最快的是"直接按层次比。

总线(2.2.4)。总线是各部件之间传送信息的公共通路。按传送的信息分三类:

总线传什么方向
数据总线 DB数据双向
地址总线 AB地址单向,从 CPU 发出
控制总线 CB控制信号与时序信号双向

方向是常考点:地址总线是单向的,因为只有 CPU 需要告诉存储器"我要访问哪个地址",反过来不需要。数据总线是双向的,读进来写出去都要走它。

**接口(2.2.5)**是主机与外设之间的连接部件,负责信号转换、速度匹配、数据缓冲。它存在的理由是外设和 CPU 速度差太多、信号格式也不一样,中间得有人翻译。

**外部设备(2.2.6)**包括输入设备、输出设备和外存设备。注意"外存设备"既是存储器也是外部设备,这是它唯一的双重身份,选择题偶尔拿这个做文章。

四、2.3.1:软件分两类,界线在哪

教材 2.3.1 把软件分成系统软件和应用软件。

  • 系统软件:管理计算机资源、为应用软件提供运行平台的软件。包括操作系统、语言处理程序(编译程序、解释程序、汇编程序)、数据库管理系统、各种服务程序(诊断、排错、编辑)。
  • 应用软件:为解决具体应用问题而开发的软件,比如办公软件、财务软件、行业业务系统。

界线判断一句话:为谁服务。为机器本身、为开发者服务的,是系统软件;为终端用户解决具体业务问题的,是应用软件。

容易错的几个归属:

软件属于哪类为什么容易错
操作系统系统软件一般不错
编译程序系统软件常被误当应用软件,它是给程序员用的工具
数据库管理系统系统软件常被误当应用软件
财务软件应用软件一般不错
设备驱动程序系统软件名字里带"设备",容易被划到硬件

五、2.3.2:操作系统只要记五个点

教材 2.3.2 篇幅很短(28~32 页里还夹着 2.3.1),讲的就是操作系统的骨架,五个点:

定义:操作系统是管理计算机硬件与软件资源、合理调度各类作业、方便用户使用的程序集合。

作用三条:管理软硬件资源;提供友善的人机界面;为应用程序的开发和运行提供高效率的平台。

特征四个:并发、共享、虚拟、不确定(异步)。并发和并行不是一回事——并发是宏观上同时、微观上交替,并行是真的同时(需要多核)。这是选择题最经典的陷阱之一,"并发就是并行"是错的。

功能五个:进程管理(处理机管理)、文件管理、存储管理、设备管理、作业管理。

分类:批处理、分时、实时、网络、分布式、微型计算机、嵌入式。其中分时系统四个特点(多路性、独立性、交互性、及时性)和实时系统的要求(对被控对象允许的时间范围内做出响应、可靠性要求高)是常考的对照。

操作系统类型关键特征典型场景
批处理作业成批提交、自动依次执行,分单道与多道后台大批量计算
分时时间片轮转,多个终端轮流使用多用户交互
实时在规定时间内响应,可靠性要求高工业控制、武器系统
网络支持网络资源共享与通信局域网服务器
分布式多台计算机无主次之分,协同工作集群、分布式平台
嵌入式微型化、可定制、实时、可靠、易移植家电、车载设备

收尾:八页教材的速记表

问题答案
冯诺依曼五大部件运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
CPU 是哪两个部件的合称运算器 + 控制器
存储层次从快到慢寄存器 → Cache → 主存 → 外存
断电后信息还在吗RAM 丢,ROM 不丢
三类总线谁单向地址总线单向,数据与控制双向
编译程序算哪类软件系统软件
并发等于并行吗不等于,并发是宏观同时微观交替
操作系统四个特征并发、共享、虚拟、不确定

考频判断:冯诺依曼五大部件与 CPU 的组成属于综合知识的开场题,几乎每轮见;RAM/ROM、存储层次、三类总线方向是稳定的一分题;软件分类与操作系统特征中频。案例题基本不考这块,论文里也几乎用不上——除非你在写嵌入式相关方向的论文,可以拿"实时操作系统的响应要求"当一小段约束条件,但那属于第 16 章的地盘。

下一篇写第 2 章 2.3.3~2.3.8:数据库、文件系统、网络协议、中间件、软件构件与应用软件,教材 32~47 页,是这一章里篇幅最厚的一段。

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