第一章（上）——计算机系统层次结构
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目录
一、计算机系统的组成
二、计算机硬件
（一）冯诺依曼计算机的结构
1、内容
2、冯诺依曼计算机结构与现代计算机结构对比
（二）现代计算机五大部件功能
1）输入设备
2）输出设备
3）存储器
4）运算器
5）控制器
总结
三、计算机软件
（一）分类
（二）三个级别的语言
（三）程序设计语言和语言翻译程序的关系
（四）计算机软件的发展
四、计算机系统的层次结构
（一）分层思想
（二）软硬件的逻辑功能等价性
五、计算机系统的工作原理
（一）计算机硬件的细化
1、运算器中的寄存器及其作用
2、存储器中的寄存器及其作用
3、控制器中的寄存器及其作用
1）PC
2）IR
3）CU
（二）机器指令简介
一、计算机系统的组成
二、计算机硬件
（一）冯诺依曼计算机的结构
1、内容
“存储程序”的基本思想
1、构成程序的指令和数据均采用二进制
2、指令和数据均存放在存储器当中，按地址访问
3、指令由操作码和地址码组成
- 操作码：用来表示执行何种操作
- 地址码：用来表示操作数在存储器当中的位置
4、机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成
5、计算机硬件由输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器五大部分组成
2、冯诺依曼计算机结构与现代计算机结构对比
（二）现代计算机五大部件功能
1）输入设备
输入设备是用户与计算机交互的界面，允许用户向计算机输入数据和指令。常见的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏等。
2）输出设备
输出设备将计算机处理的结果以用户可以理解的形式展示出来，如显示器、打印机、扬声器等。
3）存储器
存储器用于存储程序和数据，包括主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。
- 内存是计算机的临时存储区，用于存放正在运行的程序和当前使用的数据，可以直接与CPU交换信息；
- 外存则用于长期存储数据，即使在计算机关闭后，存储的信息也不会丢失。是为了帮助主存存储更多的信息。辅存中的信息必须被调入主存中，才能被CPU访问。
4）运算器
运算器，也称为算术逻辑单元（ALU），负责执行计算机中的算术运算和逻辑运算，是计算机处理数据的核心部分。
- 算数运算：加、减、乘、除
- 逻辑运算：与、或、非、异或等
5）控制器
核心为控制单元CU（Control Unit）
- 用于解释存储器发出的指令，并发出各种操作命令来执行指令
- I/O设备也受CU控制，用于完成I/O操作
总结
三、计算机软件
（一）分类
（二）三个级别的语言
（三）程序设计语言和语言翻译程序的关系
下面是在VS2022写的一段C语言代码
（四）计算机软件的发展
随着硬件和软件的不断发展，人们又创造出了一类程序，称为操作系统（属于系统软件）。
- 操作系统提供了在汇编语言和高级语言的使用和实现过程中所需的某些基本操作。
- 操作系统负责控制并管理计算机系统全部硬件资源（例如CPU、内存和外部设备）和软件资源（例如编译程序、应用程序等)。
- 操作系统为用户使用计算机系统提供了极为方便的条件。
随着计算机应用领域的逐渐扩大，还相应地出现了其他各类系统软件（例如数据库管理系统、网络系统等）以及多种多样应用软件。
随着软件的进一步发展，将会出现更高级的计算机语言，其发展方向是标准化、积木化、产品化以及智能化，最终向自然语言发展，它们能够自动生成程序。
四、计算机系统的层次结构
（一）分层思想
计算机是一个非常复杂的系统，为了简化对计算机系统的研究和实现，可采用分层思想将计算机系统划分成一个层次结构的系统。
- 系统中的每一层都向其上层提供一个简洁和抽象的接口。
- 每一层的实现细节对其上层而言都是"看不见"的，也就是透明的。
计算机解决问题的过程就是层次结构中的各层逐层转换的过程。
学习过或正在学习计算机网络课程的同学，对上面的叙述应该并不陌生，因为在计算机网络课程的第一章，计算机网络体系结构的分层思想就是这一章的重点和难点。
与计算机网络体系结构的分层不同◇计算机系统的分层方式，目前并没有统一的标准，本课程介绍一种将计算机系统划分成六个抽象层的层次结构。
（二）软硬件的逻辑功能等价性
■在特定条件下，用软件实现的逻辑功能也可以通过硬件电路来实现，反之亦然。
- 对于一些特定的计算或控制任务，可以选择将其使用软件编程来实现，也可以选择设计专用硬件电路来实现，而两者的结果将在功能上等效。
■软件和硬件的逻辑功能等价性是计算机科学中的一个重要概念，也是计算机体系结构和工程中的基本原则之一。
- 当选择在软件层面实现某些逻辑功能时，这通常意味着使用通用处理器（例如 CPU ）来执行程序；
- 而当选择在硬件层面实现这些逻辑功能时，这通常意味着使用专用的硬件电路，例如现场可编程门阵列 FPGA ( Field Programmable Gate Array ）或专用集成电路 ASIC （Application Specific Integrated）
五、计算机系统的工作原理
（一）计算机硬件的细化
1、运算器中的寄存器及其作用
我们不难发现，他们有一个共同点：
取出存放在主存储器中地址为M的存储单元中的内容M，送到某个寄存器中
2、存储器中的寄存器及其作用
1、存储体由很多个存储单元组成
- 每个存储单元由若干个存储元件组成（每个存储原件能存储一个二进制数“0”或“1”）
- 一个存储单元中可存储一串二进制信息，称这串二进制信息为一个存储字，这串二进制信息的位数称为存储字节（可以是8、16、32等）
2、给每一个存储单元都赋予一个编号，称为存储单元的地址。
3、存储地址寄存器MAR，用来存放欲要访问的存储单元地址。
- MAR的位数（长度），决定存储单元的数量
答：从0到2^16-1个总共25536个
4、存储器当中的数据寄存器MDR,用来存放从存储体的某个存储单元取出的信息或者准备往某个存储单元存入信息。
MDR的长度==存储字节
3、控制器中的寄存器及其作用
控制器是计算机的神经中枢，由他指挥各部件自动、协调的工作
- 控制从主存中读取一条指令，称为取指过程（阶段）。
- 对指令进行分析，指出该指令要完成何种操作，并按寻址特征值，指明操作数的地址，称为分析过程（阶段）
- 根据指令的操作码和操作数所在的地址完成某种操作，称为执行过程（阶段）。
1）PC
程序计数器 PC 用来存放当前欲执行指令的地址
■ PC 与 MAR 之间有一条直接通路。
■ PC 自动形成下一条指令的地址（"自动加1"功能）
2）IR
指令寄存器 IR 用来存放当前的指令
■ IR 的内容来自 MDR 。
■ IR 中的操作码（用 OP ( IR ）表示）会送至 CU （用 OP ( IR )→ CU 表示），用来分析指令。
■ IR 中的地址码（用 Ad ( IR ）表示）作为操作数的地址送至 MAR （用 Ad ( IR )→ MAR 表示），用来从内存中取操作数。
用来从主存储器中取操作数
3）CU
控制单元 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。
（二）机器指令简介
最后，感谢大家的观看！
- MAR的位数（长度），决定存储单元的数量
- 对于一些特定的计算或控制任务，可以选择将其使用软件编程来实现，也可以选择设计专用硬件电路来实现，而两者的结果将在功能上等效。
