计算机系统概述

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现代计算机的原型

冯·诺依曼

1946年，普林斯顿高等研究院（the Institute for Advance Study at Princeton，IAS ）开始设计“存储程序”计算机，被称为IAS计算机.

• 冯·诺依曼结构最重要的思想是“存储程序(Stored-program)”
• 工作方式：
  •  任何要计算机完成的工作都要先被编写成程序，然后将程序和原始 数据送入主存并启动执行。一旦程序被启动，计算机应能在不需操 作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。
  •  冯·诺依曼结构计算机也称为冯·诺依曼机器（Von Neumann Machine）。
  •  几乎现代所有的通用计算机大都采用冯·诺依曼结构，因此，IAS计 算机是现代计算机的原型机。

冯·诺依曼结构是怎样的？

• 有主存，用来存 放程序和数据
• 一个自动逐条取 出指令的部件
• 具体执行指令 （即运算）的部件
• 程序由指令构成 
• 指令描述如何对数据进 行处理
• 将程序和原始数 据输入计算机的部件 
• 将运算结果输出 计算机的部件

冯·诺依曼结构的主要思想

• 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。
• 各基本部件的功能是： 
  •  存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者 没有区别，但计算机应能区分数据还是指令；
  •  控制器应能自动取出指令来执行；
  •  运算器应能进行加/减/乘/除四种基本算术运算，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。
•  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。
• 采用“存储程序”工作方式。

现代计算机结构模型

CPU：中央处理器；PC：程序计数器；

MAR：存储器地址寄存器 ALU：算术逻辑部件；

IR：指令寄存器；MDR：存储器数据寄存器 GPRs：通用寄存器组（由若干通用寄存器组成，早期就是累加器）

计算机的执行过程

程序在执行前

• 数据和指令事先存放在存储器中，每条指令和每个数据都有地址， 指令按序存放，指令由OP(操作码)、ADDR(地址码)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
• 第二步：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

简单的流程图:

指令和数据

程序启动前，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。
• 指令执行过程中，指令和数据被从存储器取到CPU，存放在CPU
内的寄存器中，指令在IR中，数据在GPR中。
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！

 计算机的基本组成与基本功能

计算机的基本部件及功能：

• 运算器（数据运算）：ALU、GPRs、标志寄存器等
• 存储器（数据存储）：存储阵列、地址译码器、读写控制电 路
• 总线（数据传送）：数据(MDR)、地址(MAR)和控制线
• 控制器（控制）：对指令译码生成控制信号 

计算机实现的所有任务都是通过执行一条一条指令完成的

程序开发和执行过程

程序开发

机器语言编写程序

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 所有信息都 是0/1序列！

机器语言编写程序不仅难读,难写而且非常不灵活.

用汇编语言开发程序

若用符号表示跳转位置和变量位置，是否简化了问题？
• 于是，汇编语言出现
　　– 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

用汇编语言编写的优点是： 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

不过，这带来新的问题，是什么呢？

人容易了，可机器不认识这些指令了.

需将汇编语言转 换为机器语言！ 我们用汇编程序作为中介进行转换

进一步认识机器级语言

汇编语言(源)程序由汇编指令构成
• 用一句话描述什么是汇编指令
    – 用助记符和标号来表示的指令（与机器指令一一对应）
• 指令又是什么呢？
    – 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
• 想象用汇编语言编写复杂程序是怎样的情形？
（例如，用汇编语言实现排序（sort）、矩阵相乘）
    – 需要描述的细节太多了！程序会很长很长！而且在不同
结构的机器上就不能运行！

机器语言和汇编 语言都是面向机 器结构的语言， 故它们统称为机 器级语言

结论：用汇编语言比机器语言好，但是，还是很麻烦！

用高级语言开发程序

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
•  高级语言中一条语句对应几条、几十条甚至几百条指令 
• 有“面向过程”和“面向对象”的语言之分
• 处理逻辑分为三种结构 • 顺序结构、选择结构、循环结构
• 有两种转换方式：“编译”和“解释” 
  • 　　编译程序(Complier)：将高级语言源程序转换为机器级目 标程序，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

程序执行

一个典型程序的转换处理过程

经典的“ hello.c ”C-源程序

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

Hello程序的数据流动过程

数据经常在各存储部件间传送。故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

不同层次语言之间的等价转换

开发和运行程序需什么支撑？

用高级语言开发程序需要复杂的支撑环境（怎样的环境？）

• 需要编辑器编写源程序
• 需要一套翻译转换软件处理各类源程序
  •  编译方式：预处理程序、编译器、汇编器、链接器 
  •  解释方式：解释程序
    • 以上称为语言处理程序
• 需要一个可以执行程序的界面（环境） 
  • GUI方式：图形用户界面 
  • CUI方式：命令行用户界面

语言处理程序+人机接口+操作系统+操作系统内核+语言的运行时系统+指令集体系结构+计算机硬件

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

语言处理系统运行在操作系统之上，操作系统利用指令管理硬件

计算机系统层次结构

早期计算机系统的层次

最早的计算机用机器语言编程

机器语言称为第一代程序设计语言

汇编语言编程

汇编语言编程

现代（传统）计算机系统的层次

现代计算机用高级语言编程

• 第三代程序设计语言（3GL）为过程式 语言，编码时需要描述实现过程，即“ 如何做”。
• 第四代程序设计语言（4GL） 为非过程 化语言，编码时只需说明“做什么”， 不需要描述具体的算法实现细节。

语言处理系统包括：各种语 言处理程序（如编译、汇编、 链接）、运行时系统（如库 函数，调试、优化等功能）

操作系统包括人机交互界面、 提供服务功能的内核例程

可以看出：语言的发展是一 个不断“抽象”的过程，因 而，相应的计算机系统也不 断有新的层次出现

计算机系统抽象层的转换

功能转换：上层是下层的抽象，下层是上层的实现 底层为上层提供支撑环境！

计算机系统的不同用户

最终用户工作在由应用程序提供的最上面的抽象层
系统管理员工作在由操作系统提供的抽象层
应用程序员工作在由语言处理系统（主要有编译器和汇编器）的抽象层
语言处理系统建立在操作系统之上
系统程序员（实现系统软件）工作在ISA层次，必须对ISA非常了解
编译器和汇编器的目标程序由机器级代码组成
操作系统通过指令直接对硬件进行编程控制ISA处于软件和硬件的交界面（接口）

ISA是对硬件的抽象所有软件功能都建立在ISA之上

指令集体系结构（ISA）

SA指Instruction Set Architecture，即指令集体系结构，有时 简称为指令系统

• •ISA是一种规约（Specification），它规定了如何使用硬件
  • 　　–可执行的指令的集合，包括指令格式、操作种类以及每种操作对应的 操作数的相应规定；
  • 　　– 指令可以接受的操作数的类型；
  • 　　– 操作数所能存放的寄存器组的结构，包括每个寄存器的名称、编号、 长度和用途；
  • 　　– 操作数所能存放的存储空间的大小和编址方式；
  • 　　– 操作数在存储空间存放时按照大端还是小端方式存放；
  • 　　– 指令获取操作数的方式，即寻址方式；
  • 　　– 指令执行过程的控制方式，包括程序计数器（PC）、条件码定义等。
•  ISA在通用计算机系统中是必不可少的一个抽象层，
  • 　　– 没有它，软件无法使用计算机硬件！
  • 　　– 没有它，一台计算机不能称为“通用计算机”

ISA和计算机组成（微结构）之间的关系

ISA是计算机 组成的抽象

不同ISA规定的指令集不同，

如，IA-32、MIPS、ARM等 计算机组成必须能够实现ISA规定的功能，如提供GPR、标志、运算电路等 同一种ISA可以有不同的计算机组成，

如乘法指令可用ALU或乘法器实现

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