计算机系统概述

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了计算机系统概述相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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

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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)

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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:

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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

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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

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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
");
}

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Hello程序的数据流动过程

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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

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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

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汇编语言编程

汇编语言编程

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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。

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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

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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)

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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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