计算机系统概述：硬件、软件与语言解析-优快云博客

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第一章：计算机系统概述

Part1：基本概念

1、计算机系统组成

计算机系统

硬件系统
- 早期冯·诺依曼机结构
- 现代计算机结构
软件系统
- 系统软件——管理计算机
- 应用软件——为执行任务而编制

2、三级计算机语言

三种语言
- 机器语言：二进制代码语言，计算机可以直接执行
- 汇编语言：面向及其的低级语言，其代码符号和及其语言一一对应
- 高级语言：面向人类的自然语言，其代码需要翻译为机器语言
翻译过程

翻译类型
- 编译：将源代码变为可执行文件
- 解释：将源代码逐条变为机器语言并且执行

3、计算机的一些指标

主存容量（MM, Main Memory）

MAR：Memory Address Register,主存地址寄存器

MDR：Memory Data Register, 主存数据寄存器

这两个寄存器的位数决定了主存容量，如果MAR：16bit MDR：32bit。则
$主存容量=2^{16}*32(bit)=64k*4B=512KB$
CPU
- CPU的时钟周期：CPU中最小的时间单位
- CPU的主频（Clock Speed）：CPU内部时钟频率，单位Hz.（1 Hz = 1秒钟一次，时钟周期=CPU主频的倒数）
- CPI（Clock Per Instruction）：每条指令平均需要使用几个时钟周期
FLOPS

每秒可以支持的浮点运算数量级

MFLOPS：可执行10⁶

GFLOPS：可执行10⁹

TFLOPS：可执行10¹²

PFLOPS：可执行10¹⁵

Part2：计算机硬件系统

1、早期冯·诺依曼结构：以运算器为中心

请添加图片描述

冯诺依曼在研究EDVAC时，提出了“存储程序”的概念，即将指令以代码的形式事先输入存储器，从首地址开始按序执行，直到指令结束。在他的《EDVAC报告书的第一份草案》中，为现代计算机结构指明了道路

采用二进制表示数据
像存储数据一样存储程序
计算机由输入、输出、存储器、运算器、控制器5大模块构成

这三个原则被称为“存储程序”工作方式

2、现代计算机结构：以存储器为中心

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现代计算机常将Control Unit和Arithmetic Unit和Memory中MAR、MDR整合入一个部件，并称之为CPU，如下图所示

请添加图片描述

3、三大硬件基本结构

Memory

请添加图片描述

Arithmetic Unit

其中ACC（Accumulator）：累加器

MQ：乘商寄存器

ALU（Arithmetic logical Unit）：逻辑运算单元
Control Unit

其中IR（Instruction Register）：存储当前执行指令的寄存器

PC(Program Counter)：存储下一条指令地址的寄存器

MCU(Micro Control Unit)：微控制单元，用于分析指令

4、一个例子

先看如下代码

int main(void){
  int x = 2;
  int a = 3;
  int b = 1;
  int y = 0;
  
  y = a * x + b;
}

将其编译装入后，为这个样子

主存 | 	              指令		            		  |注释
地址 |        操作码（6bit）  |	  地址码（10bit）		  |
--------------------------------------------------------
0	|		   000 001	|    0000 00 0101	       	  |取数x到ACC
1	|		   000 010	| 	 0000 00 0110		   	  |对a和x做乘法，并将结果存放于ACC中
2	|		   000 011	| 	 0000 00 0111		   	  |加上b，将结果存放于ACC中
3	|		   000 100	| 	 0000 00 1000		   	  |将结果放到y所处的主存单元中
4	|		   000 101	| 	 0000 00 0000		   	  |停机
--------------------------------------------------------
以下为主存单元数据
--------------------------------------------------------
5	|		   000 000 0000 00 0010			       	  |x=2
6	|		   000 000 0000 00 0011				   	  |a=3
7	|		   000 000 0000 00 0001				   	  |b=1
8	|		   000 000 0000 00 0000				   	  |y=0

由3可知一个由完整的计算机如下图所示

请添加图片描述

则第一条指令执行过程为：

初始状态：PC=0，指向第一条指令地址

---------------------------------------------------------
step 1   : (PC)->MAR, MAR = 0;							|
step 2,3 : M(MAR)->MDR, MDR=000 001 0000 00 0101;		|取指令阶段
setp 4   : (MDR)->IR;									|
---------------------------------------------------------
step 5	 : op(IR)->MCU MCU分析后得知其为取数指令，pc=pc+1;	| 分析指令阶段
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step 6	 : Ad(IR)->MAR, (MAR)=0000 00 0101 = 5;		    |
step 7,8 : M(MAR)->MDR, MDR = 000 000 0000 00 0010 = 2; |执行指令阶段
step 9	 : (MDR)->ACC									|
----------------------------------------------------------