计算机系统层次结构

计算机硬件的组成

冯·诺依曼计算机

将指令以代码的形式存入主存储器中，之后按照顺序依次执行，直到程序执行结束。

冯诺依曼计算机

特点：

计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成；
指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻访；
指令和数据均用二进制代码表示；
指令由操作码和地址码组成
- 操作码用来表示操作的性质；
- 地址码用来表示操作数在存储器中的位置；
指令在存储器内按顺序存放。通常指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序；
早期的冯诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

冯诺伊曼机基本工作方式是控制流驱动按地址访问并顺序执行指令是冯诺依曼机工作方式的基本特点

如何区分指令和数据：

通过不同的时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段（或取指微程序）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程序）取出的即为数据。
通过地址来源区分，由\(PC\)提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分取出（提供存储单元地址或在指令中给出立即数）的是操作数。

现代计算机的组织结构

计算机的功能部件

存储器

存储器包括主存储器（主存、内存储器）和辅助存储器（辅存、外存储器）。

主存的组成如图所示：

存储体：存放二进制信息；
地址寄存器（MAR，Memory Adders Register）：存放访存地址，经过地址译码后找到相应的存储单元； MAR的位数表示地址码的长度
数据寄存器（MDR，Memory Data Register）：暂存要从存储器中读或写的信息。 MDR的位数表示每个存储单元的位数，也叫存储字长

主存的作用:程序运行时的主要位置，包括所需的数据

敲重点：MAR和MDR之间关系的理解

主存储器是由若干存储单元构成的，每个存储单元包含若干存储元件，每一个存储元件可以存储一位二进制代码0或1。因此每一个存储单元可以存储一串二进制码。这串二进制码称为存储字，它的位数称为存储字长，实际上就是存储单元中存储元件的个数。

例如，一个存储单元中有8个存储元件，则其存储字长为8位（bit），也可以称为1字节（B，Byte）。

MAR有n位(有n位地址) = 有 \(2^n\) 个存储单元。

MAR和MDR虽然是存储器一部分，但现在也存在于CPU

举例

题1：寄存器和高速缓冲寄存器Cache都集成在CPU上，离CPU越近速度越快，所以存取速度上寄存器>Cache>内存。

题2：计算机位数相关的计算

运算器

用于处理计算机的算术运算和逻辑运算。运算器包括：

算术逻辑单元（ALU）（核心）
累加器（ACC）
乘商寄存器（MQ）
操作计数器（X）
变址寄存器（IX）
基址寄存器（BR）
程序状态寄存器（PSW）

控制器

控制计算机各部件运行。包括：

控制单元（CU）
指令寄存器（IR）：存放当前执行指令的地址
程序计数器（PC）：自动加1以得到下一条指令的地址

1.2.2 计算机的工作过程

简单版本：

先定义下面会用到的变量含义：

M：主存中某存储单元 OP(IR)：取操作码 Ad(IR)：取地址码

取指令

PC --> MAR：将指令的地址从PC（程序计数器）传至地址寄存器
M(MAR) --> MDR：根据地址从存储体（或地址寄存器）中取到指令，并传至数据寄存器
(MDR) --> IR：将得到的指令传给指令寄存器

分析指令

OP(IR) --> CU：CU（控制单元）分析IR（指令寄存器）中的指令，并做出操作

执行指令

Ad(IR) --> MAR：IR(指令寄存器)将地址码给地址寄存器
M(MAR) --> MDR：地址寄存器找到数据，存至数据寄存器
(MDR) --> ACC：数据寄存器将数据传至累加器

CPU通过指令周期的不同阶段来区分指令和数据

详细版本：

举例：

题1：CPU结构

解析：地址译码器是主存里面的

1.2.3 计算机的层次结构

M4：用编译程序翻译成机器语言程序
M3：用汇编程序汇编成机器语言程序
M2：用机器语言解释操作系统
M1：用微指令解释机器指令
M0：由硬件直接执行微指令
翻译程序：源程序→机器语言
- 编译（C++、Java）
  - 高级语言→机器语言
  - 通篇翻译
  - 仅需执行一次
- 解释（python、JS）
  - 高级语言→机器语言
  - 翻译一句执行一句
  - 每次执行都需要翻译
- 汇编
  - 汇编语言→机器语言
硬件和软件之间互相依存，协同发展
两者间没有严格的界限

举例：上下层关系

1. 上层实现对下层功能的拓展，下层是上层的基础。

2. 上下层可以分割，仅有下层没有上层也可以

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1.1计算机系统层次结构