用计算机转换层次的例子,程序的表示、转换与链接-week1

最近在 coursera 上发现一门不错的课程，程序的表示、转换与链接，内容是类似《深入理解计算机系统》这本书的，说来惭愧，虽然在上学时零星上过一些相关的课程，但是却没有系统地将这些内容串起来理解。本着算法工程师首先得是个工程的原则，觉得还是有必要去了解一下这块内容;而且课程内容讲得挺通俗的，值得一听。

本文的内容主要是 week1 的内容，较为宏观地介绍了如何从冯·诺依曼体系结构演进至现代计算机结构、程序执行的基本原理、微体系结构与指令集(ISA)等。由于课程 PPT 说得已经较为清晰了，这里大部分内容会直接截图(懒得再打字也是一个原因。。。)

冯·诺依曼结构

基本思想

冯-诺依曼结构主要思想是存储程序的工作方式，即让计算机完成的任何的一项工作，事先要编写成程序，然后把这个程序以及程序处理的这个数据先要送到主存，然后启动运行，运行以后，计算机就可以自动的取出一条一条指令，并且取出来进行执行，就是取出指令，执行。然后再取下条指令再执行，这样按部就班的取出指令并执行

按照上面的描述，计算机应该有如下的组成部分

更抽象一点的结构如下

因此，冯-诺依曼结构主要思想是

计算机由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备五个基本部件组成

各部件的基本功能是存储器不仅能存放数据，也能存放指令，形式上两者都是0/1序列

控制器能自动取出指令来执行

运算器能够进行加减乘除、与或非等运算

操作人员可以通过输入设备和输出设备与主机进行通信

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组成，操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址

采用“存储程序”的工作方式

现代计算机的模型结构和工作原理

现代计算机采用的基本就是前面提到的冯-诺依曼结构，更深入地看 CPU 的基本组成如下图所示，

各个部件的作用如下

PC(program counter): 程序计数器，是一个用于存储指令在 memory 中的地址的寄存器，需要执行的指令先送到 PC，然后送到 MAR

MAR(memory address register)：存储 memory 中某些指令或数据的地址(跟总线相连)，除了接收 PC 的指令地址，还可以接收 GPR 的数据地址

MDR(memory data register): 从 memory 读出的指令或数据(跟总线相连)，送给 IR 或 GPR(同理也可往里面写)

IR(instruction register)：存储真实的指令，每条指令由 OP 和 ADDR 组成，表示指令的具体操作和要操作的对象的地址，供控制器读取

标志寄存器：存储运算的结果得到的符号是什么，有没有进位 有没有溢出等等一些标志信息

因此，cpu 从内存读取指令/数据的流程是：PC/GPR -> MAR -> memory -> MDR ->IR/GPR(同时会有一些控制信号，即图中的红色虚线)

下面是以做菜的例子更详细描述计算机是如何工作的

从机器语言到高级编程语言机器语言(01表示指令)：增减指令后需要重新对纸带打孔

汇编语言(符号表示指令): 增减指令不影响，需要通过汇编程序转为机器语言

高级语言：与平台无关，编译程序(生成目标文件)和解释程序(不生成目标文件)

因此，高级语言(这里以c为例)需要执行如下步骤才能最终被计算机执行

各个步骤做的事情如下

预编译(生成 .i 文件)：主要是处理 # 开头的语句，如进行宏展开、将被 include 的文件插入到对应的地方(递归执行)

编译(生成 .s 文件)：将代码编译成汇编代码，包括词法分析、语法分析、语义分析和生成汇编代码的优化；虽然不同语言都可通过 gcc 来统一编译，但是 gcc 对于对于不同的语言调用了不同的编译程序(如c是cc1，c++是cclplus，java是jc1)

汇编(生成.o文件)：将汇编代码逐条转换成机器指令(有查找表)

链接(生成可执行文件)：静态链接与动态链接

下面是一个简单的例子

上面的图中有几点值得注意

汇编指令与机器指令是一一对应的

任何程序最终都是通过执行若干条指令来完成

指令集体系结构由计算机硬件决定

计算机的层次结构

计算机简单可分为软件和硬件两个层次，而在这两个层次内又可以做更细的划分，连接着两层的则是指令集(ISA) 如下图所示

作为软件和硬件的桥梁，ISA 具体做了些啥，简单来说，ISA 规定了如何使用硬件；类似于一个协议，其细节如下图所示

小结

week1 的内容比较宏观地介绍了冯·诺依曼结构的计算机系统层次结构、程序在计算机系统内运行的基本原理、高级语言如何转换为机器语言、ISA 的概念等基本内容，课程总共有12周，后面的课程当于是对上述的相关部分内容进行展开。