第一章 05计算机系统层次结构（王道）

1、计算机硬件的基本组成

2、各个硬件的工作原理

3、计算机软件

4、计算机系统的层次结构

5、计算机系统的工作原理

一、计算机硬件基本组成知识框架

1.1 早期冯诺依曼机的结构

1）早期冯诺依曼机的缺陷

ENIAC的缺陷：世界第一台计算机ENIAC需要手动接线控制每一步计算，手工操作耗时严重抵消了运算速度优势。

2）存储程序的概念

冯诺依曼提出了“存储程序”的概念。指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器（内存），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

注意：说的是主存储器不是存储器！存储器包括主存（内存）和辅存（固态硬盘），前者属于主机，后者则属于I/O设备。像我们平时手机里的APP就是存放在辅存里面的，只有需要启动运行的时候才会把辅存里面的APP相关程序代码数据读到主存里面

1.2 冯诺依曼机示意图

下图就是一个冯诺依曼机的示意图

控制器会利用电信号来协调其他部件相互配合的工作，也负责解析存储器里所存储的程序指令

• 五大部件：
  • 输入设备：将数据和程序转换为二进制形式（如键盘）
  • 运算器：执行算术运算（+−×÷）和逻辑运算（与或非）
  • 存储器：存放待处理数据和程序指令（即内存）
  • 控制器：解析指令并协调各部件工作（如读取加法指令后指挥运算器执行）
  • 输出设备：将结果转换为人可读形式（如显示器）

1.3 冯诺依曼计算机的特点：

• 计算机硬件系统由五大部件组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）
• 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访，但计算机应能区分它们
• 二进制存储：由操作码（如加减乘除）和地址码（数据存储位置）组成
• 采用“存储程序”的工作方式，控制流驱动方式
  • 存储程序：提前存储指令和数据实现自动化执行（将事先编制好的程序和原始数据送入主存储器后才能执行，一旦程序被启动执行，就无须操作人员干预，计算机会自动逐条执行指令，直至程序执行结束）
• 以运算器为中心（输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成）

1.4 冯诺依曼机低效场景

低效场景：原材料（数据）必须经加工部门（运算器）中转才能入库（存储器），类比传统冯诺依曼结构的数据传输瓶颈。

1.5 现代计算机的结构

现代计算机以存储器为中心

我们常说的CPU=运算器+控制器，所以也可以上图的结构框图简化一下为下图

1.6 总结

二、各个硬件的工作原理

2.1 硬件知识总览

2.2 主存储器的基本组成

• 存储体: 由存储元件构成的二进制数据存储区域，可存放0或1
• MAR (Memory Address Register): 存储地址寄存器，存放待访问数据的地址信息
• MDR (Memory Data Register): 存储数据寄存器，暂存读取/写入的数据内容
• 寄存器本质: 特殊的高速存储单元，用于临时存放二进制数据

• 存储体↔货架: 存储体存放二进制数据如同货架存放包裹
• MAR↔取件号: CPU将目标地址写入MAR，如同告知店员取件号（如11号货架第1层第42个包裹）
• MDR↔柜台: 找到的数据暂存MDR，如同包裹暂放柜台待取
• 读写差异:
  • 菜鸟驿站仅支持取件（读操作）
  • 主存储器支持读写：写入时CPU需提供地址(MAR)、数据(MDR)和写操作指令

2.3.1 存储体

2.3.2 MAR与MDR的位数与存储体的关系

2.3 运算器的基本组成

• 核心部件：由ACC、MQ、X三个寄存器和ALU算术逻辑单元组成
• ACC（累加器）：
  • 功能：存放算术/逻辑运算的操作数及运算结果
  • 硬件特点：构造简单，成本低于ALU
  • 运算角色：
    • 加法：存放被加数及和
    • 减法：存放被减数及差
    • 乘法：存放乘积高位
    • 除法：存放被除数及余数
• MQ（乘商寄存器）：
  • 专用性：仅在乘除法运算时启用
  • 运算角色：
    • 乘法：存放乘数及乘积低位
    • 除法：存放商
• X（通用寄存器）：
  • 扩展性：实际系统中可存在多个
  • 功能：统一存放各类运算的操作数
  • 运算角色：
    • 加法：存放加数
    • 减法：存放减数
    • 乘法：存放被乘数
    • 除法：存放除数
• ALU（算术逻辑单元）：
  • 核心地位：通过复杂电路实现所有运算功能
  • 硬件特点：运算器中制造成本最高的部件
  • 功能范围：
    • 算术运算：实现+−×÷等操作
    • 逻辑运算：完成与、或、非等布尔运算

2.4 控制器的基本组成

• CU（控制单元）：
  • 核心地位：控制器中的”决策中心”
  • 功能：
    • 指令分析：解析当前执行的指令含义
    • 信号生成：向其他部件发送控制信号
  • 类比说明：相当于”霸道总裁”的决策大脑
• IR（指令寄存器）：
  • 功能：暂存当前正在执行的指令
  • 工作流程：在取指阶段从内存加载指令
• PC（程序计数器）：
  • 名称辨析：不同于个人电脑(PC)
  • 核心功能：
    • 地址存储：记录下一条指令的内存地址
    • 自动增量：执行后自动+1+1+1指向后续指令
• 指令执行三阶段：
  • 取指阶段：根据PC地址从内存获取指令
  • 分析阶段：CU解析IR中的指令内容
  • 执行阶段：CU协调各部件完成指令操作
• 两阶段简化模型：
  • 取指阶段：合并前两个阶段
  • 执行阶段

三、计算机的工作过程

3.1 代码实现

• 存储结构：
  • 变量存储：a(地址5)、b(地址6)、c(地址7)、y(地址8)
  • 指令存储：0-4号单元存储机器指令
• 指令格式：每条16位，包含操作码（前6位）和地址码（后10位）
• 存储单位：每个存储单元字长为16比特，与指令长度匹配

3.2 取数指令 a 到 ACC

3.3 执行乘法运算过程

3.4 执行加法运算过程

3.5 执行存数指令

3.6 停机指令

3.7 计算机工作过程总结

CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段

3.8 硬件部件知识回顾

现在的计算机通常把MAR、MDR集成在CPU中

四、计算机软件

4.1 系统软件和应用软件

系统构成: 完整的计算机系统由硬件和软件组成，用户通过软件与计算机交互，软件运行在硬件基础之上。

1）应用软件

• 定义: 为解决特定需求而开发的程序，直接面向终端用户提供服务
• 典型示例:
  • 大众软件：抖音（短视频）、QQ（社交）、美图秀秀（图像处理）
  • 专业软件：Photoshop（图像设计）、AutoCAD（工程制图）
• 特点: 每种应用软件都针对特定应用场景开发，如社交、图像处理等

2）系统软件

• 核心功能: 管理硬件资源并为上层应用提供基础服务
• 主要类型:
  • 操作系统（如Android/iOS）：支撑所有应用软件运行
  • 数据库管理系统（DBMS）：提供数据存储和查询服务
  • 网络系统软件（如网卡驱动）：实现网络通信功能
  • 语言处理程序：完成高级语言到机器语言的转换
  • 服务程序（如调试工具）：辅助软件开发
  • 标准程序库（如printf）：提供通用编程接口
• 类比: 系统软件相当于”数字基建“，为应用软件提供底层支持

4.2 三种语言（机器、汇编、高级）

• 编译程序:
  • 工作方式：一次性将整个源程序转换为目标代码（如生成.exe文件）
  • 效率特点：执行效率高，适合重复执行的程序
• 汇编程序:
  • 功能：将汇编语言转换为机器语言
• 解释程序:
  • 工作方式：逐行翻译并立即执行（如同声传译）
  • 效率特点：重复语句需重复翻译，效率较低

统称: 上述三类均可称为”翻译程序”

4.3 软件和硬件的逻辑功能等价性

• 核心概念: 同一功能既可用硬件实现也可用软件实现
• 实现示例:
  • 硬件方案：使用乘法指令MUL 985,6,X（需专用电路）
  • 软件方案：用6次加法指令ADD 985,X,X（仅需基础电路）
• 比较:
  • 硬件：高性能但成本高（需复杂电路）
  • 软件：低成本但性能较低（通过指令组合实现

4.4 指令集体系结构（ISA）- Instruction Set Architecture

• 定义:
  • 规定计算机支持的指令集合
  • 明确每条指令的功能和用法
• 设计考量:
  • 需平衡性能与成本
  • 确定硬件实现与软件实现的边界
• 重要性: 是计算机系统中软硬件的交互界面

4.5 计算机软件知识回顾

五、计算机系统的多层次结构

5.1 传统机器

二进制本质: 传统机器M1只能识别二进制机器指令

微指令分解: 每条机器指令需要细分为多个微指令执行，例如取数指令分解为9个微步骤

5.2 计算机的层次结构

• 五层结构：计算机系统可分为五个层次，从高到低依次为：
  • M4：高级语言机器（执行高级语言）
  • M3：汇编语言机器（执行汇编语言）
  • M2：操作系统机器（向上提供广义指令）
  • M1：传统机器（执行机器语言指令）
  • M0：微程序机器（执行微指令）
• 执行本质：虽然高层机器能识别更高级的代码，但所有代码最终都需要翻译成机器语言执行
• 计算机组成原理主要研究M1和M0这两层机器的实现原理

5.3 计算机体系结构 VS 计算机组成原理

• 体系结构定义：机器语言程序员可见的计算机系统属性，包括：
  • 概念性结构与功能特性
  • 指令系统设计（如有无乘法指令）
  • 数据类型、寻址技术、I/O机理等
• 组成原理定义：实现体系结构定义的接口，对程序员透明（不可见），如：
  • 乘法指令的具体硬件实现
  • 其他指令的物理实现方式
• 核心区别：
  • 体系结构：设计硬件与软件的接口（”做什么”）
  • 组成原理：用硬件实现接口（”怎么做”）

5.4 计算机体系结构 VS 计算机组成原理

六、计算机系统的基本工作原理

6.1 从语言源程序到可执行文件

四阶段总结：预处理→编译→汇编→链接，各阶段工具分别为预处理器、编译器、汇编器、链接器

6.2 计算机系统的工作原理

• 存储层次：
  • 外存：硬盘等I/O设备存放可执行文件
  • 内存：程序运行时从外存调入主存储器
• 执行单元：CPU通过控制器和运算器执行程序指令
• 交互设备：输入设备（键盘/鼠标）和输出设备（显示器）实现人机交互

6.3 存储程序工作方式

• 存储特点：
  • 统一存储：指令和数据无差别混合存储
  • 地址映射：每条指令/数据都有唯一内存地址
• 执行机制：
  • PC寄存器：程序计数器自动指向下一条指令地址
  • 指令周期：取指令→解码→执行→写回的循环过程
• 典型指令：
  • 运算指令：如”乘b得ab，存于ACC中”
  • 数据移动：如”取数a至ACC”
  • 存储指令：如”将ab+c存于主存单元”