7、计算机架构：从基础到Hack计算机实现

计算机架构：从基础到Hack计算机实现

1. 计算机架构基础

数字计算机最显著的特点是其惊人的通用性，这得益于存储程序概念。该概念由多位科学家和工程师在20世纪30年代独立提出，是现代计算机科学的重要发明。计算机基于固定的硬件平台，能执行有限的简单指令，这些指令可像积木一样组合成复杂程序，且程序代码以软件形式存储在计算机内存中，同一硬件平台加载不同程序可表现出不同行为。

冯·诺依曼架构是现代计算机设计的核心，它基于中央处理器（CPU），与内存设备交互，接收输入设备的数据并向输出设备输出数据。其核心是存储程序概念，计算机内存不仅存储数据，还存储指令。

计算机的内存可从物理和逻辑角度讨论。物理上，内存是可寻址的固定大小寄存器的线性序列；逻辑上，地址空间用于存储数据和指令。数据内存和指令内存的分配方式有多种，各有优缺点。

CPU负责执行当前运行程序的指令，主要由算术逻辑单元（ALU）、一组寄存器和控制单元组成。ALU执行计算机的低级算术和逻辑操作；寄存器用于临时存储中间值；控制单元负责解码指令并将微代码路由到指定硬件设备。CPU的执行过程遵循取指 - 执行周期。

计算机通过输入/输出（I/O）设备与外部环境交互，为简化操作，采用了内存映射I/O的概念。其基本思想是为每个I/O设备分配一个内存区域作为内存映射，使CPU将I/O设备视为常规线性内存段。内存映射I/O基于一些约定，具有重要的实际意义。

以下是计算机架构基础的主要元素总结表格：
| 元素 | 描述 |
| — | — |
| 存储程序概念 | 程序代码存储在计算机内存中，同一硬件可因加载不同程序而表现不同 |
| 冯·诺依曼架构