1.2 计算机系统层次结构

1.2.1 计算机硬件的组成

1、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，知道程序执行结束。

特点：

  1. 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；

  2. 指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻访；

  3. 指令和数据均用二进制代码表示；

  4. 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；

  5. 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；

  6. 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。

2、现代计算机的组织结构

3、计算机的功能部件

一、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；

  • 数据寄存器（MDR，Memory Data Register）：暂存要从存储器中读或写的信息。

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）。

有n位地址 = 有 2n2^{n} 个存储单元 = MAR有n位。

二、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）

三、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

M：主存中某存储单元

OP(IR)：取操作码

Ad(IR)：取地址码

一、取指令

  1. PC --> MAR：将指令的地址从PC传至地址寄存器

  2. M(MAR) --> MDR：根据地址从存储体中取到指令，并传至数据寄存器

  3. (MDR) --> IR：将得到的指令传给指令寄存器

二、分析指令

  1. OP(IR) --> CU：控制单元分析IR中的指令，并做出操作

三、执行指令

  1. Ad(IR) --> MAR：IR将地址码给地址寄存器

  2. M(MAR) --> MDR：地址寄存器找到数据，存至数据寄存器

  3. (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（即上面的一和三）

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。

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