計算機系統概述
現代計算機的原型
馮·諾依曼
1946年，普林斯頓高等研究院（the Institute for Advance Study at Princeton，IAS ）開始設計“存儲程序”計算機，被稱為IAS計算機.
- 馮·諾依曼結構最重要的思想是“存儲程序(Stored-program)”
- 工作方式：
- 任何要計算機完成的工作都要先被編寫成程序，然後將程序和原始 數據送入主存並啟動執行。一旦程序被啟動，計算機應能在不需操 作人員幹預下，自動完成逐條取出指令和執行指令的任務。
- 馮·諾依曼結構計算機也稱為馮·諾依曼機器（Von Neumann Machine）。
- 幾乎現代所有的通用計算機大都采用馮·諾依曼結構，因此，IAS計 算機是現代計算機的原型機。
馮·諾依曼結構是怎樣的？
- 有主存，用來存 放程序和數據
- 一個自動逐條取 出指令的部件
- 具體執行指令 （即運算）的部件
- 程序由指令構成
- 指令描述如何對數據進 行處理
- 將程序和原始數 據輸入計算機的部件
- 將運算結果輸出 計算機的部件
馮·諾依曼結構的主要思想
- 計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備 五個基本部件組成。
- 各基本部件的功能是：
- 存儲器不僅能存放數據，而且也能存放指令，形式上兩者 沒有區別，但計算機應能區分數據還是指令；
- 控制器應能自動取出指令來執行；
- 運算器應能進行加/減/乘/除四種基本算術運算，並且也 能進行一些邏輯運算和附加運算；
- 操作人員可以通過輸入設備、輸出設備和主機進行通信。
- 內部以二進制表示指令和數據。每條指令由操作碼和地址碼 兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數的地 址。由一串指令組成程序。
- 采用“存儲程序”工作方式。
現代計算機結構模型
CPU：中央處理器；PC：程序計數器；
MAR：存儲器地址寄存器 ALU：算術邏輯部件；
IR：指令寄存器；MDR：存儲器數據寄存器 GPRs：通用寄存器組（由若幹通用寄存器組成，早期就是累加器）
計算機的執行過程
程序在執行前
- 數據和指令事先存放在存儲器中，每條指令和每個數據都有地址， 指令按序存放，指令由OP(操作碼)、ADDR(地址碼)字段組成，程序起始地址置PC
開始執行程序
- 第一步：根據PC取指令
- 第二步：指令譯碼
- 第三步：取操作數
- 第四步：指令執行
- 第五步：回寫結果
- 第六步：修改PC的值
- 繼續執行下一條指令
簡單的流程圖:
指令和數據
程序啟動前，指令和數據都存放在存儲器中，形式上沒有差別， 都是0/1序列 • 采用”存儲程序“工作方式： – 程序由指令組成，程序被啟動後，計算機能自動取出一條一條 指令執行，在執行過程中無需人的幹預。 • 指令執行過程中，指令和數據被從存儲器取到CPU，存放在CPU 內的寄存器中，指令在IR中，數據在GPR中。 指令中需給出的信息： 操作性質（操作碼） 源操作數1 或/和 源操作數2 （立即數、寄存器編號、存儲地址） 目的操作數地址 （寄存器編號、存儲地址） 存儲地址的描述與操作數的數據結構有關！
計算機的基本組成與基本功能
計算機的基本部件及功能：
- 運算器（數據運算）：ALU、GPRs、標誌寄存器等
- 存儲器（數據存儲）：存儲陣列、地址譯碼器、讀寫控制電 路
- 總線（數據傳送）：數據(MDR)、地址(MAR)和控制線
- 控制器（控制）：對指令譯碼生成控制信號
計算機實現的所有任務都是通過執行一條一條指令完成的
程序開發和執行過程
程序開發
機器語言編寫程序
用機器語言編寫程序，並記錄在紙帶或卡片上
輸入：按鈕、開關；
輸出：指示燈等 所有信息都 是0/1序列！
機器語言編寫程序不僅難讀,難寫而且非常不靈活.
用匯編語言開發程序
若用符號表示跳轉位置和變量位置，是否簡化了問題？
• 於是，匯編語言出現
– 用助記符表示操作碼
– 用標號表示位置
– 用助記符表示寄存器
用匯編語言編寫的優點是： 不會因為增減指令而需要修改其他指令 不需記憶指令編碼，編寫方便 可讀性比機器語言強
不過，這帶來新的問題，是什麽呢？
人容易了，可機器不認識這些指令了.
需將匯編語言轉 換為機器語言！ 我們用匯編程序作為中介進行轉換
進一步認識機器級語言
匯編語言(源)程序由匯編指令構成
• 用一句話描述什麽是匯編指令
– 用助記符和標號來表示的指令（與機器指令一一對應）
• 指令又是什麽呢？
– 包含操作碼和操作數或其地址碼
（機器指令用二進制表示，匯編指令用符號表示）
– 只能描述：取（或存一個數）
兩個數加（或減、乘、除、與、或等）
根據運算結果判斷是否轉移執行
• 想象用匯編語言編寫復雜程序是怎樣的情形？
（例如，用匯編語言實現排序（sort）、矩陣相乘）
– 需要描述的細節太多了！程序會很長很長！而且在不同
結構的機器上就不能運行！
機器語言和匯編 語言都是面向機 器結構的語言， 故它們統稱為機 器級語言
結論：用匯編語言比機器語言好，但是，還是很麻煩！
用高級語言開發程序
高級編程語言
- 它們與具體機器結構無關
- 面向算法描述，比機器級語言描述能力強得多
- 高級語言中一條語句對應幾條、幾十條甚至幾百條指令
- 有“面向過程”和“面向對象”的語言之分
- 處理邏輯分為三種結構 • 順序結構、選擇結構、循環結構
- 有兩種轉換方式：“編譯”和“解釋”
- 編譯程序(Complier)：將高級語言源程序轉換為機器級目 標程序，執行時只要啟動目標程序即可
- 解釋程序(Interpreter )：將高級語言語句逐條翻譯成機器 指令並立即執行，不生成目標文件
程序執行
一個典型程序的轉換處理過程
經典的“ hello.c ”C-源程序
#include <stdio.h> int main() { printf("hello, world\n"); }
Hello程序的數據流動過程
數據經常在各存儲部件間傳送。故現代計算機大多采用“緩存”技術
所有過程都是在CPU執行指令所產生的控制信號的作用下進行的
不同層次語言之間的等價轉換
開發和運行程序需什麽支撐？
用高級語言開發程序需要復雜的支撐環境（怎樣的環境？）
- 需要編輯器編寫源程序
- 需要一套翻譯轉換軟件處理各類源程序
- 編譯方式：預處理程序、編譯器、匯編器、鏈接器
- 解釋方式：解釋程序
- 以上稱為語言處理程序
- 需要一個可以執行程序的界面（環境）
- GUI方式：圖形用戶界面
- CUI方式：命令行用戶界面
語言處理程序+人機接口+操作系統+操作系統內核+語言的運行時系統+指令集體系結構+計算機硬件
支撐程序開發和運行的環境由系統軟件提供
最重要的系統軟件是操作系統和語言處理系統
語言處理系統運行在操作系統之上，操作系統利用指令管理硬件
計算機系統層次結構
早期計算機系統的層次
最早的計算機用機器語言編程
機器語言稱為第一代程序設計語言
匯編語言編程
匯編語言編程
現代（傳統）計算機系統的層次
現代計算機用高級語言編程
- 第三代程序設計語言（3GL）為過程式 語言，編碼時需要描述實現過程，即“ 如何做”。
- 第四代程序設計語言（4GL） 為非過程 化語言，編碼時只需說明“做什麽”， 不需要描述具體的算法實現細節。
語言處理系統包括：各種語 言處理程序（如編譯、匯編、 鏈接）、運行時系統（如庫 函數，調試、優化等功能）
操作系統包括人機交互界面、 提供服務功能的內核例程
可以看出：語言的發展是一 個不斷“抽象”的過程，因 而，相應的計算機系統也不 斷有新的層次出現
計算機系統抽象層的轉換
功能轉換：上層是下層的抽象，下層是上層的實現 底層為上層提供支撐環境！
計算機系統的不同用戶
最終用戶工作在由應用程序提供的最上面的抽象層
系統管理員工作在由操作系統提供的抽象層
應用程序員工作在由語言處理系統（主要有編譯器和匯編器）的抽象層
語言處理系統建立在操作系統之上
系統程序員（實現系統軟件）工作在ISA層次，必須對ISA非常了解
編譯器和匯編器的目標程序由機器級代碼組成
操作系統通過指令直接對硬件進行編程控制ISA處於軟件和硬件的交界面（接口）
ISA是對硬件的抽象所有軟件功能都建立在ISA之上
指令集體系結構（ISA）
SA指Instruction Set Architecture，即指令集體系結構，有時 簡稱為指令系統
- •ISA是一種規約（Specification），它規定了如何使用硬件
- –可執行的指令的集合，包括指令格式、操作種類以及每種操作對應的 操作數的相應規定；
- – 指令可以接受的操作數的類型；
- – 操作數所能存放的寄存器組的結構，包括每個寄存器的名稱、編號、 長度和用途；
- – 操作數所能存放的存儲空間的大小和編址方式；
- – 操作數在存儲空間存放時按照大端還是小端方式存放；
- – 指令獲取操作數的方式，即尋址方式；
- – 指令執行過程的控制方式，包括程序計數器（PC）、條件碼定義等。
- ISA在通用計算機系統中是必不可少的一個抽象層，
- – 沒有它，軟件無法使用計算機硬件！
- – 沒有它，一臺計算機不能稱為“通用計算機”
ISA和計算機組成（微結構）之間的關系
ISA是計算機 組成的抽象
不同ISA規定的指令集不同，
如，IA-32、MIPS、ARM等 計算機組成必須能夠實現ISA規定的功能，如提供GPR、標誌、運算電路等 同一種ISA可以有不同的計算機組成，
如乘法指令可用ALU或乘法器實現
計算機系統概述