【計算機系統概論】

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1. 概論

1.1 問題引入

等我學完了再回來解釋

1.2 計算機系統基本組成與基本功能

馮諾依曼機
核心思想：存儲程序
工作方式： 任何要計算機完成的工作都要先被編寫成程序，然後將程序和原始 數據送入主存並啓動執行。一旦程序被啓動，計算機應能在不需操 作人員干預下，自動完成逐條取出指令和執行指令的任務。
主要思想：

• 計算機有控制器、運算器、存儲器、輸入、輸出五個基本部分。
  • 存儲器：存放數據和指令，兩者形式上沒有區別，但是計算機應當能夠進行區分
  • 控制器：能自動取出指令來執行
  • 運算器：能進行加減乘除、邏輯運算和附加運算。
  • 輸入輸出：操作人員的通信方式
• 內部以二進制表示指令和數據。指令由操作碼和地址碼組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數地址。一串指令組成程序。
• 採用存儲程序方式工作。

馮諾依曼結構模型

早期這些部件都是分散方式連接，現在都是用總線方式連接

現代計算機結構模型

CPU：中央處理器
PC：程序計數器
MAR：存儲器地址寄存器
ALU：算術邏輯部件
IR：指令寄存器
MDR：存儲器數據寄存器
GPRs：通用寄存器組（早期的累加器）

廚房-CPU，廚師-控制器，盤-GPRs，鍋竈等-ALU ，架子-存儲器
做菜前：

• 原材料（數據）和菜譜（指令）按序放在廚房外的架子上（存儲器），每個架子有編號（存儲單元地址）
• 菜譜信息：原料位置、做法、做好的菜放哪等
• （數據和指令事先存放在存儲器中，每條指令和每個數據都有地址， 指令按序存放，指令由OP、ADDR字段組成，程序起始地址置PC）

開始做菜：

• 從5號架子上取菜譜（根據PC取指令）
• 看菜譜（指令譯碼）
• 從架上或盤中取原材料（取操作數）
• 開始炒菜（指令執行）
• 裝盤送桌（回寫結果）
• 算出下一個菜譜所在架子號6=5+1（修改PC值）
• 繼續做下一道菜（執行下一條指令）

指令和數據：

• 程序啓動前，指令和數據都存放在存儲器中，形式上沒有差別， 都是0/1序列
• 採用”存儲程序“工作方式：
  • 程序由指令組成，程序被啓動後，計算機能自動取出一條條的指令執行，在執行過程中無需人的干預。
• 指令執行過程中，指令和數據被從存儲器取到CPU，存放在CPU內的寄存器中，指令在IR中，數據在GPR中。
• 指令中需給出的信息：
  • 操作性質（操作碼）
  • 源操作數1 或/和源操作數2 （立即數、寄存器編號、存儲地址）
  • 目的操作數地址 （寄存器編號、存儲地址）
• 存儲地址的描述與操作數的數據結構有關！

編譯程序(Complier)：將高級語言源程序轉換爲機器級目 標程序，執行時只要啓動目標程序即可

解釋程序(Interpreter )：將高級語言語句逐條翻譯成機器 指令並立即執行，不生成目標文件。

HelloWorld.c的運行

1. 紅色：鍵盤讀入./hello，到達cpu，得到計算結果後放入主存儲器中
2. 藍色：hello可執行文件運行
3. 綠色：從主存儲器中拿到數據，最終在顯示屏顯示