计算机系统简介
软硬件概念
计算机系统 由"硬件"和"软件"两大部分组成.
所谓“硬件”:
是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等.
所谓“软件” :
它看不见摸不着，由人们事先编制的各种具有各类特殊功能的程序组成.
计算机系统层次结构
计算机系统层次结构，指的是计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，而如果按功能再细分，可分为7层。
把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。
硬联逻辑级:
这是计算机的硬件，
由存储器、控制器、中央处理器和输入输出设备组成。
微程序级:
这级的机器语言是微指令集，
程序员用微指令编写的微程序，
一般是直接由硬件直接执行的。
传统机器级:
这级的机器语言是该机的指令集，
程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。
操作系统级:
从操作系统的基本功能来看，
一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，
另一方面它又是传统机器的延伸.
汇编语言级:
这级的机器语言是汇编语言
完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序.
高级语言级:
这级的机器语言就是各种高级语言
通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作
应用语言级:
为了使计算机满足某种用途而专门设计的
因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言.
组成和体系结构
注意:这是两个不同的概念
计算机体系结构
是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性,即概念性的结构和功能特性.
机器属性:
指令系统
数据类型
存储器寻址技术
I/O机理
...
计算机组成
是指如何实现计算机体系结构所体现的属性,包硬件细节.(具体指令的实现)
举例说明:
指令系统体现的是机器的属性,所以归类为计算机体系结构的问题;但是如何取指令、分析指令、取操作数、运算等则属于计算机组成的问题.
计算机基本组成
冯-诺依曼计算机特点归结:
组成(五大部件):运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备
指令和数据以同等地位存储与存储器,可按地址寻访
指令和数据用二进制表示
指令由操作码和地址码组成
#操作码用来表示操作的性质
#地址码用来表示操作数在存储器中的位置
指令在存储器内按顺序存放
机器以运算器为中心
计算机硬件框图:
冯诺依曼计算机硬件框图:
以存储器为中心的计算机硬件框图:
现代计算机硬件框图:
各部件功能如下:
运算器:
完成算术运算和逻辑运算
并将运算的中间结果暂存在运算器内
存储器:
存放数据和程序
控制器:
控制、指挥程序和数据输入、运行以及处理运算结果
输入设备:
将人类的信息形式转换为机器可识别的信息形式
输出设备:
将机器运算结果转换为人类熟悉的信息形式
五大部件的组成:
下图是细化的计算机组成框图:
主存储器
主存储器(简称主存/内存)包括存储体M、各种逻辑部件及控制电路.
存储体由许多存储单元组成,每个存储单元又包含若干个存储元件(或称存储基元,存储元),每个存储元件能寄存一位二进制代码"0"或"1".
为了能实现按地址访问的方式,主存中还必须配有两个寄存器MAR和MDR.
MAR(Memory Address Register)是存储地址寄存器,用来存放欲访问的存储单元的地址,其位数对应存储单元的个数(如MAR为10位,则有2^10=1024个存储单元,记为1K).
MDR(Memory Data Register)是存储器数据寄存器,用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储器单元存入的代码,其位数与存储字长相等.
运算器
运算器最少包括3个寄存器(通用寄存器组)和一个算术逻辑单元(ALU).其中ACC(Accumulator)为累加器,MQ(Multiplier-Quotient Register)为乘商寄存器,X为操作数寄存器.
控制器
控制器由程序计数器(Program Counter, PC)、指令寄存器(Instruction Register, IR)以及控制单元(CU)组成.
PC用来存放当前欲执行指令的地址,它与主存的MDR之间有一条直接通路,且具有自动加1的功能,即可自动形成下一条指令的地址.
IR用来存放当前的指令,IR的内容来自主存的MDR.
CU用来分析当前指令所需完成的操作,并发出各种微操作命令序列,用以控制所有被控对象.
I/O
I/O子系统包括各种I/O设备及其相应的接口.每一种I/O设备都由I/O接口和主机联系,它接收CU发出的各种控制指令,并完成相应的操作.
各种语言的特点
高级语言:
这类语言对问题的描述十分接近人们的习惯，并且还具有较强的通用性.
汇编语言:
用符号表示操作， 并用符号表示指令或数据所在存储单元的地址， 使程序员可以不再使用繁杂而又易错的二进制代码来编写程序.
机器语言：
用户必须用二进制代码来编写程序。 要求程序员对他们所使用的计算机硬件及其指令系统十分熟悉，编写程序难度很大，操作过程也极容易出错.
硬件的技术指标
机器字长
机器字长是指 CPU一次能处理的数据的位数，通常与 CPU的寄存器位数有关.
机器的字长会影响机器的运算速度.
存储容量
存储器的容量包括主存容量和辅存容量.
主存容量是指主存中存放二进制代码的总位数.即
存储容量 = 存储单元 x 存储字长
辅存容量通常用字节数表示
1字节=8bit=8位二进制代码
如某辅存(机械硬盘)的容量为80GB(1G=1024M=210 x 220=230)
运算速度
计算机的运算速度与许多因素有关,如机器的主频、操作的性质、主存本身的速度(主存速度快,取指令、取数据就快)等都有关.
参考资料:
《计算机组成原理》
