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计算机系统概述

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一、计算机系统概述

计算机系统基本组成与基本功能

冯·诺依曼结构主要思想

  1. 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成

  2. 各个部件的功能：

    • 存储器：不仅能存放数据，而且能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令；
    • 控制器：应能够自动取出指令来执行；
    • 运算器：应能进行加/减/乘/出四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算；
    • 操作人员可以通过输入设备、输出设备和主机进行通信；

  3. 内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。由一串指令组成程序。

  4. 采用“存储程序”工作方式。

现代计算机结构模型及工作原理

工作原理图

计算机执行程序，和它的内部结构是紧密关联的。

计算机是如何工作的

把计算机执行程序比做你妈在厨房做菜～

  • 做菜前

    原材料（数据）和菜谱（指令）都按序放在厨房（CPU）外的架子（存储器）上，每个架子都有编号（存储单元地址）。

    菜谱的内容：原料位置、做法、做好的菜放哪等。
    例如：把10、11号架子上的原料一起炒，并装入3号盘。

    然后，你告诉你妈：从第5个架子上（起始PC=5）指定菜谱开始做

  • 开始做菜

    第一步：从5号架子上取菜谱（根据PC取指令）

    第二步：看菜谱（指令译码）

    第三步：从架子上或盘中取原材料（取操作数）

    第四步：根据菜谱规定洗、切、炒等具体操作（执行指令）

    第五步：装盘或者直接送桌（回写结果）

    第六步：算出下一菜谱所在架子编号6=5+1（修改PC的值）

    继续做下一道菜（执行下一条指令）

  • 程序执行前

    数据和指令事先放在存储器中，每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR字段组成，程序起始地址置PC。

  • 开始执行程序

    第一步：根据PC取指令

    第二部：指令译码

    第三步：取操作数

    第四步：指令执行

    第五步：回写结果

    第六步：修改PC的值

    继续执行下一条指令

指令和数据

  • 程序启动之前，指令和数据都存放在存储器中，形式上没有差别，都是0/1序列。

  • 采用“ 存储程序 ”工作方式：

    • 程序由指令组成，程序被启动后，计算机只能自动取出一条一条指令执行，在执行过程中无需人的干预。

  • 指令中需给出的信息：

    • 操作性质（操作码）
    • 源操作数1或/和源操作数2 （立即数、寄存器编号、存储地址）
    • 目的操作数地址（寄存器编号、存储地址）
    • 存储地址的描述与操作数的数据结构有关！

程序开发和执行过程

从机器语言到高级语言

最早的程序开发过程

用机器语言编写程序，并记录在纸带或卡片上。

输入：按钮、开关

输出：指示灯等

所有的信息都是0/1序列！

其执行速度快，但是书写、阅读及其困难。

汇编语言开发程序

  • 汇编语言程序由汇编指令构成，汇编指令是用助记符和标号来表示的指令。

    • 用助记符表示操作码
    • 用标号表示位置
    • 用助记符表示寄存器

  • 指令：

    • 包含操作码和操作数或其地址码（机器指令用二进制表示，汇编指令用符号表示）。
    • 只能描述：
      • 取（或存一个数）
      • 两个数加（或减、乘、除、与、或等）
      • 根据运算结果判断是否转移执行

通过汇编程序用来把汇编程序写的程序转化成机器语言写的程序。

优点：

  • 不会因为增减指令而需要修改其他指令
  • 不需记忆指令编码，编写方便
  • 可读性比机器语言强

缺点：

  • 程序会很长：需要描述的细节太多，程序会很长很长。
  • 不可移植：在不同结构的机器上就不能运行。

结论：机器语言和汇编语言都是面向机器结构的语言，与机器的结构相关。用汇编语言比机器语言好，但是，还是很麻烦。

高级语言开发程序

  • 随着技术的发展，出现了许多高级编程语言

    • 它们与具体机器结构无关
    • 面向算法描述，比机器级语言描述能力强得多
    • 有“ 面向过程 ”和“ 面向对象 ”等语言之分
    • 处理逻辑分为三种结构：顺序结构、选择结构、循环结构

    • 最终要将高级语言转化为机器语言，有两种转换方式：

      • 编译程序（Complier）：将高级语言源程序转换为机器级目标程序（机器语言或者汇编语言），执行时只要启动目标程序即可。
      • 解释程序（Interpreter）：将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行，不生成目标文件。

hello world

hello.c程序的转换处理过程

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// hello.c
#include <stdio.h>
int main() {
  printf("hello world\n");
}

hello.c的ascii文本表示
hello.c的ascii
源程序中其实存放的是程序的ascii文本表示。显然计算机是不能执行hello.c。

以下是gcc+Linux平台中的处理过程：

处理过程

源程序hello.c（文本）——预处理(cpp)——>源程序hello.i（文本）——编译(cc1)——> 汇编语言程序hello.s（文本）——汇编(as)——>可重定位目标程序hello.o（二进制）——print.o连接(Id)——>可执行目标程序hello（二进制）

hello程序的数据流动过程

数据流动过程

数据经常在各存储部件间传递，现代计算机大多采用“缓存技术”。

所有过程都是在CPU执行指令所产生的控制信号的作用下进行的。

开发和运行程序需要什么支撑？

  • 最早的程序开发很简单

    • 直接输入指令和数据，启动后把第一条指令地址送PC开始执行

  • 用高级语言开发需要复杂的支撑环境

    • 编辑器编写源程序（语言处理系统）
    • 一套翻译转换软件处理各类源程序（语言处理系统）
      • 编译方式：预处理程序、编译器、汇编器、连接器
      • 解释方式：解释程序
    • 需要一个可以执行程序的界面（环境）——人机接口（操作系统）
      • GUI：图形用户界面
      • CUI：命令行用户界面

支撑程序开发和运行的环境由系统软件提供，最重要的系统软件是操作系统和语言处理系统

计算机系统层次结构

早期计算机系统的层次

早期

现代（传统）计算机系统的层次

现代

计算机系统抽象层次的转换

转换

计算机系统的不同用户

用户

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