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# 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。

![冯诺依曼计算机](https://263180029-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F-MgTVRt7hyq7APa35yqR%2Fuploads%2Fgit-blob-91c238b4b9bf194820ed64d2810c666f8207a32a%2F%E5%86%AF%E8%AF%BA%E4%BE%9D%E6%9B%BC%E7%BB%93%E6%9E%84.png?alt=media)

#### 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

![以存储器为核心](https://263180029-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F-MgTVRt7hyq7APa35yqR%2Fuploads%2Fgit-blob-5468ddbb2c7e2941dab281415ed2333bbdc944d4%2F%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8%E4%B8%BA%E4%B8%AD%E5%BF%83.png?alt=media)

![计算机的功能部件](https://263180029-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F-MgTVRt7hyq7APa35yqR%2Fuploads%2Fgit-blob-907bbadaf924d4492f82d42b763ac96e4430f46c%2F%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BB%84%E6%88%90.png?alt=media)

### 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：

![](https://263180029-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F-MgTVRt7hyq7APa35yqR%2Fuploads%2Fgit-blob-871ce8b03f2f669077eacfe00e515b10f42df51b%2F%E4%B8%BB%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8.png?alt=media)

* **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。

{% hint style="info" %}
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）。
{% endhint %}

有n位地址 = 有 $$2^{n}$$ 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

![](https://263180029-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F-MgTVRt7hyq7APa35yqR%2Fuploads%2Fgit-blob-33bd781ae0a450f81a77c0a2e6a0c719e2e33cb1%2F%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E8%BF%87%E7%A8%8B.png?alt=media)

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**

{% hint style="info" %}
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）
{% endhint %}

## 1.2.3 计算机的层次结构

![](https://263180029-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F-MgTVRt7hyq7APa35yqR%2Fuploads%2Fgit-blob-ecc6a0dfdc92254d22cbafbd8f81f05b50e76ff6%2F%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E5%B1%82%E6%AC%A1.png?alt=media)

* 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。