计算机系统基本组成和基本功能

存储器：不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令。存储阵列、地址译码器、读写控制电路
控制器：应自动取出指令。对指令译码生成控制信号。
运算器：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。ALU、GPRs、标志寄存器等
输入设备/输出设备：

现代计算机结构模型

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

总线（数据传送）：数据(MDR)、地址(MAR)和控制线

计算机是如何工作的？
程序在执行前
数据和指令事先存放在存储器中，每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR字段组成，程序起始地址置PC。

开始执行程序
第一步：根据PC取指令（从5号架上取菜谱）
第二步：指令译码（看菜谱）
第三步：取操作数（从架上或盘中取原材料）
第四步：执行操作数（洗、切、炒等具体操作）
第五步：回写结果（装盘或直接送桌）
第六步：修改PC的值（算出下一菜谱所在架子号）
继续执行下一条指令（继续做下一道菜）

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）
存储地址的描述与操作数的数据结构有关

现代计算机系统的层次结构

程序执行结果不仅取决于算法、程序编写而且取决于语言处理系统、操作系统、ISA、微体系结构。
功能转换：上层是下层的抽象，下层是上层的实现。

上层：程序员所关注的算法、编程和系统软件等层次
中层：计算机架构师所关注的ISA和微架构等层次
下层：电子工程师所关注的器件和逻辑电路等层次

ISA处于软件和硬件的交界面（接口）。
ISA是对硬件的抽象。所有软件都建立在ISA之上。
ISA是最重要的层次，那么什么是ISA呢？

ISA（指令集体系结构）
ISA指Instruction Set Architecture,即指令集体系结构，有时简称为指令系统。
ISA是一种规约(Specification),它规定了如何使用硬件

可执行的指令集合
指令可以接受的操作数的类型
操作数所能存放的寄存器的结构
操作数所能存放的存储空间的大小和编址方式；
操作数在存储空间存放时按照大端还是小端方式存放；
指令获取操作数的方式，即寻址方式
指令执行过程的控制方式，包括程序计数器(PC)、条件码定义等。

ISA在通用计算机系统中是必不可少的一个抽象层，Why？
没有它，软件无法使用计算机硬件
没有它，一台计算机不能称为通用计算机

ISA和计算机组成是何关系？微体系关系

有没有乘法指令属于指令集体系结构（ISA）需考虑的问题，而如何实现乘法指令是微体系结构需要考虑的问题。

课程的三个主题：
表示（Representation）

不同数据类型（包括带符号整数、无符号整数、浮点数、数组、结构等）在寄存器或存储器中如何表示和存储？
指令如何表示和编码（译码）？
存储地址（指针）如何表示？如何生成复杂数据结构中数据元素的地址？

转换(Translation)

高级语言程序对应的机器代码是怎样的？如何转换并链接生成可执行文件

执行控制流（Control flow）

计算机能理解的“程序”是如何组织和控制的？
如何在计算机中组织多个程序的并发执行？
逻辑控制流中的异常事件及其处理
I/O操作的执行控制流（用户态-内核态）

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