南大袁春风计算机系统基础（一）笔记

一、计算机系统基本组成与基本功能
- 冯.诺依曼结构计算机模型
- 冯.诺依曼计算机结构的特点
- 计算机的指令和数据
二、程序开发和执行过程简介
- 程序开发的发展过程
- 典型程序转换处理过程
- Hello程序的数据流动过程
- 不同层次语言之间的等价转换

一、计算机系统基本组成与基本功能

1946年，第1台通用电子计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer电子数字积分计算机）诞生。

冯.诺依曼结构计算机模型

1.计算机包含五大部件：输入/输出设备，存储器，控制器，运算器。

2.各基本部件的功能是：

• 存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令；

• 控制器应能自动取出指令来执行；

• 运算器应能进行加/减/乘/除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算；

• 操作人员可以通过输入设备、输出设备和主机进行通信；

3.内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作

数的地址。由一串指令组成程序。

4.采用“存储程序”工作方式。

冯.诺依曼计算机结构的特点

CPU：中央处理器；PC：程序计数器；MAR：存储器地址寄存器 ALU：算术逻辑部件；IR：指令寄存器；

MDR：存储器数据寄存器 GPRs：通用寄存器组（由若干通用寄存器组成，早期就是累加器）

计算机工作的步骤：

将数据和指令按序放在存储器的存储单元当中–>–>根据PC取指令–>将指令译码–>去操作数–>指令执行–>回写

结果–>修改PC的值–>执行下一条指令

计算机的指令和数据

程序启动前，指令和数据都存放在存储器中，形式上没有差别，都是0/1序列
采用”存储程序“工作方式：
- 程序由指令组成，程序被启动后，计算机能自动取出一条一条指令执行，在执行过程中无需人的干预。
指令执行过程中，指令和数据被从存储器取到CPU，存放在CPU 内的寄存器中，指令在IR中，数据在GPR中。
指令中需给出的信息：
- 操作性质（操作码）
- 源操作数1 或/和源操作数2 （立即数、寄存器编号、存储地址）
- 目的操作数地址（寄存器编号、存储地址）

总结： 计算机的基本部件及功能：

–运算器（数据运算）：ALU、GPRs、标志寄存器等

–存储器（数据存储）：存储阵列、地址译码器、读写控制电路

–总线（数据传送）：数据(MDR)、地址(MAR)和控制线

–控制器（控制）：对指令译码生成控制信号

二、程序开发和执行过程简介

程序开发的发展过程

最早的程序开发过程：使用打孔机，在纸带上打孔，打孔处表示0，未打孔处表示1。所有的信息都是0/1序列，如果程序需要修改，则需要重新打孔，效率不高。
使用汇编语言开发程序：使用符号表示跳转位置和变量位置，这样提高了代码的可读性，也不会因为增减指令而去修改其他指令。但是需要将汇编语言通过汇编程序转换成机器语言。
- 汇编语言(源)程序由汇编指令构成。
- 汇编指令是用助记符和标号来表示的指令（与机器指令一一对应）
- 指令是包含操作码和操作数或其地址码（机器指令用二进制表示，汇编指令用符号表示，只能描述：取（或存一个数）两个数加（或减、乘、除、与、或等）根据运算结果判断是否转移执行。
高级语言开发程序：
- 它们与具体机器结构无关
- 面向算法描述，比机器级语言描述能力强得多
- 高级语言中一条语句对应几条、几十条甚至几百条指令
- 有“面向过程”和“面向对象”的语言之分
- 处理逻辑分为三种结构：顺序结构、选择结构、循环结构
- 有两种转换方式：“编译”和“解释” ：1. 编译程序(Complier)：将高级语言源程序转换为机器级目标程序，执行时只要启动目标程序即可 2.解释程序(Interpreter )：将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行，不生成目标文件。

典型程序转换处理过程

将每个符号或者是字符转换成对应的ASCII码值，但是计算机需要编译器才能够正确运行.c文件

通过上图的处理过程，将hello.c文件编译汇编链接成二进制的可执行程序。

Hello程序的数据流动过程

不同层次语言之间的等价转换

高级语言的源程序通过编译程序转换成汇编语言的源程序，也就是各种符号表示的语言，再通过汇编程序，将汇编语言转换成只有0/1的机器语言，最后通过指令译码器转换成计算机硬件接受的控制信号。故：任何高级语言的程序最终都会通过若干条指令来完成。

**总结：**最早的程序开发都比较简单，只需要直接输入指令和数据，启动后把第一条指令地址送到PC执行。

高级语言开发需要编译器编写源程序，需要一套翻译转换专拣处理各种源程序，还需要一个可执行程序的界面（GUI：图形界面，CUI：命令行界面）。支撑程序开发和运行的环境由系统软件提供最重要的系统软件是操作系统和语言处理系统语言处理系统运行在操作系统之上，操作系统利用指令管理硬件。