1.1 计算机系统的组成与工作过程

冯·诺依曼结构的特点，计算机硬件的五大部件与软件分类，计算机系统的层次结构，以及一条指令在模型机中的执行过程。

计算机发展简史

摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔 18 个月便会增加一倍，性能也提升一倍。

冯·诺依曼计算机

1945 年，冯·诺依曼首次提出了”存储程序”的概念：将指令以代码的形式事先输入计算机的主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

现代计算机已转化为以存储器为中心的结构：输入/输出设备可以直接与存储器交换数据，CPU 也越来越专注于运算和控制。

各部件的组成

• 存储器：分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。CPU 能够直接访问的存储器是主存储器，辅存中的信息必须调入主存后才能为 CPU 所访问。主存由存储体、MAR（存储器地址寄存器）和 MDR（存储器数据寄存器）组成；MAR 用于寻址，其位数对应存储单元的个数（MAR 为 10 位则有 $2^{10}$ 个存储单元）；MDR 的位数与存储字长相等。
• 运算器：计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算。核心是算术逻辑单元 ALU，包含若干通用寄存器，如累加器 ACC、乘商寄存器 MQ、操作数寄存器 X、变址寄存器 IX、基址寄存器 BR 等，前三个是必须具备的；还有程序状态寄存器 PSW（标志寄存器）。
• 控制器：计算机的指挥中心，由程序计数器 PC、指令寄存器 IR 和控制单元 CU 组成。PC 用来存放当前欲执行指令的地址，具有自动加 1 的功能，可与主存的 MAR 之间有一条直接通路；IR 用来存放当前的指令，其内容来自主存的 MDR。
• 输入/输出设备：完成人与计算机、计算机与其他设备的信息交换。

计算机的工作过程

一条指令的执行分为取指令、分析指令和执行指令三个阶段。下面的模型机依次执行 LOAD 5、ADD 6、STORE 7、HALT，完成 M[7] = M[5] + M[6]。单步播放，观察每一步数据在哪些部件之间流动：

以取指令为例，各步可以用寄存器传送语言描述：

计算机软件

• 系统软件：保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，如操作系统、数据库管理系统、语言处理程序（编译器）、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序等。
• 应用软件：用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。

三个级别的语言：机器语言（二进制代码，计算机唯一可以直接识别和执行的语言）、汇编语言（用助记符代替二进制代码，需经汇编程序翻译）、高级语言（需经编译程序或解释程序翻译）。

一个 C 程序从源代码到可执行文件要经过：预处理（.c → .i）→ 编译（→ 汇编语言 .s）→ 汇编（→ 可重定位目标文件 .o）→ 链接（→ 可执行文件）。

计算机系统的层次结构

• 下层是上层的基础，上层是下层的扩展。软件和硬件在逻辑功能上是等价的——同一功能，既可以用软件实现，也可以用硬件实现。
• **指令集体系结构（ISA）**是软件和硬件之间的接口，规定了机器语言程序员看得见的一切：指令格式、寻址方式、寄存器、数据类型等。
• 计算机体系结构指机器语言程序员（或编译程序设计者）所看见的计算机系统的属性；计算机组成指如何实现计算机体系结构所体现的属性。例如”是否有乘法指令”属于体系结构，“乘法指令是用专门的乘法器还是用加法器多次运算实现”属于组成。

即时练习