计算机系统层次结构

计算机硬件

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冯·诺依曼机

特点

• 采用“存储程序”的工作方式。

  “存储程序”的基本思想是: 将事先编制好的程序和原始数据送入主存后才能执行，一旦程序被启动执行，就无须操作人员的干预，计算机会自动逐条执行指令，直至程序执行结束。

• 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储在存储器中，形式上没有区别，但计算机应能区分它们。

• 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，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址。

• 以运算器为中心。

现代计算机

• 现代计算机以存储器为中心，CPU = 存储器 + 控制器。

计算机的功能部件

输入设备

输出设备

存储器

主存储器

• 存储体
  • 存储单元：每个存储单元放一串二进制代码
  • 存储字：存储单元二进制代码的组合
  • 存储字长：存储单元中二进制位数
  • 存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit
• 存储地址寄存器(Memory Address Register, MAR)
  • $ 2^{MAR位数} = 存储单元数 $
• 存储数据寄存器(Memory Data Register, MDR)
  • MDR位数 = 存储字长

运算器

累加器(Accumulator, ACC)

乘商寄存器(Multiple-Quotient Register, MQ)

操作数寄存器(X)

算数逻辑单元(Arithmetic and Logic Unit, ALU)

控制器

控制单元(Control Unit, CU)

指令寄存器(Instruction Register, IR)

程序计数器(Program Counter, PC)

计算机软件

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翻译程序

汇编程序(汇编器)

将汇编语言程序翻译成机器语言程序。

解释程序(解释器)

将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并立即执行。

编译程序(编译器)

将高级语言程序翻译成汇编语言或机器语言程序。

软件和硬件的逻辑功能等价性

硬件实现，性能好，成本高。

软件实现，性能差，成本低。

计算机系统的层次结构

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计算机系统的多级层次结果

指令集体系结构(Instruction Set Architecture, ISA)

软件和硬件之间的界面就是指令集体系结构，ISA 定义了一台计算机可以执行的所有指令的集合，每条指令规定了计算机执行什么操作，以及所处理的操作数存放的地址空间和操作数类型。

计算机系统的工作原理

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从源程序到可执行文件

指令执行过程的描述

取指令

1. (PC) -> MAR
2. M(MAR) -> MDR
3. (MDR) -> IR
4. (PC) + 1 -> PC

分析指令

1. OP(MDA) -> CU

执行指令

1. AD(MDR) -> MAR
2. M(MAR) -> MDR
3. (MDR) -> ACC

运算结果

• 加法指令第一个操作数放在ACC。
• 加法指令第一个操作数放在X。
• 乘法指令第一个操作数放在ACC。
• 乘法指令第一个操作数放在MQ。
• 结果放入ACC, 当结果ACC存不下, 需要MQ辅助存储, 存低位。

补充

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冯·诺依曼机的基本工作方式

控制流驱动方式。

早期的冯·诺依曼机以运算器为中心，且是单处理机，多指令多数据流是多处理机。冯·诺依曼机最根本的特征是采用“存储程序”原理，基本工作方式是控制流驱动方式。

相联存储器的特点

相联存储器既可以按地址寻址又可以按内容(通常是某些字段)寻址，为与传统存储器区别，又称按内容寻址的存储器。

CPU可能有地址寄存器

地址译码器是主存的构成部分，不属于CPU。地址寄存器虽然一般属于主存，但现代计算机中绝大多数CPU内集成了地址寄存器。

存储器层次结构的速度关系

$ 寄存器 \gt Cache \gt 内存$

寄存器在CPU内部，速度最快。Cache采用高速的SRAM制作，而内存常用DRAM制作其速度较Cache慢。

系统软件

操作系统属于大型系统软件；编译程序属于语言处理程序；连接程序属于服务性程序。

数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员构成，其中数据库管理系统是系统程序。

向后兼容

向后兼容指的是时间上向后兼容，即新机器兼容使用以前机器的指令系统。

计算机系统的层次结构

上层实现对下层的功能扩展，而下层是实现上层的基础。

在计算机多层次结构中，上下层是可以分割的，且上层是下层的功能实现。此外，上层在下层的基础上实现了更加丰富的功能，仅有下层而没有上层也是可以的。

CPU区分指令和数据

根据指令周期的不同阶段来区分是指令还是数据

CPU只有在确定取出的是指令后，才会将其操作码送去译码，因此不可能依据译码的结果来区分指令和数据。

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