1.1 计算机系统概述

1.冯·诺依曼架构计算机

“存储程序”方式

事先编写程序，将程序和原始数据送入储存器后执行。一旦执行，计算机能在不需操作人员干预的情况下自动从存储器中逐条取出指令并执行指令。

基本部件

运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

中央处理器（CPU）：控制部件、运算部件、寄存器。

主存（或内存，Main Memory, MM）：存放数据和指令。

1. 存储器：程序执行前，指令和数据先输入存储器中，通过地址线、数据线、控制线与CPU连接，CPU和主存联系时需通过主存地址寄存器（Memory Address Register, MAR）和主存数据寄存器（Memory Data Register, MDR）。

2. 运算器：算术逻辑部件（Arithmetic and Logic Unit, ALU），为了向ALU提供操作数，以及临时存放数据或结果，需要 通用寄存器组（General Purpose Register set, GPRs）。

3. 控制器：控制部件，同时需要 指令寄存器（Instruction Register, IR）（包括 OP（Operation Code） 和 addr（address））和 程序计数器（Program Counter， PC）。IR 存放从主存取来的指令，PC用于存放要执行的下一条指令所在的主存地址。

4. 输入/输入设备：I/O设备。

2.程序的表示与执行

指令

包含操作码和操作数或其地址码

• 取数指令（load）：从主存单元中取出数据存放到通用寄存器（GPR）中。（输入）
• 存数指令（store）：将通用寄存器的内容写入主存单元。（输出）
• 加法指令（add）：将两个通用寄存器的内容相加后送入结果所在的通用寄存器。
• 传送指令（mov）：将一个通用寄存器的内容送到另一个通用寄存器。

执行程序

1. 根据PC取指令（机器指令：二进制）

2. 指令译码

3. 按地址取操作数

4. 指令执行

5. 按地址回写结果

6. 修改PC的值

（步骤3、5非必要）

软硬件交界面：ISA

Instruction Set Architecture，即指令集体系结构

一种规约：类似于abstraction或者接口。

3.计算机系统抽象层

• 机器级语言
  • 机器语言
  • 汇编语言（汇编指令与机器指令一一对应（通过ISA））
    • 助记符表示操作码
    • 标号表示位置
    • 助记符表示位置
    • 汇编语言转换为机器语言：汇编程序（汇编语言程序 != 汇编程序）
• 高级编程语言
  • 编译：高级语言源程序转换为机器级目标程序文件（如exe）（C/C++）
  • 解释：将高级语言语言逐条翻译为机器语言并立即执行（python）