计算机系统基础(一)笔记——Week1 计算机系统概述

Week1 计算机系统概述

1.1 why learn?

举个例子1：

ISO C90标准下，32位系统运行以下C表达式

-2147483648<2147483647 
// false
int i=-2147483648;
i<2147483647
//true
-2147483647-1<2147483647
//how?

例子2：

sum(int a[],unsigned len)
{
		int i,sum=0;
		for(i=0;i<len-1;i++)
				sum+=a[i];
		return sum;
}
//len=0时发生访存异常，但int len则不会，why?

以及很多有趣的例子…但我懒得记

1.2 计算机系统基本组成与功能

• 冯诺依曼结构
  • 计算机=运算器+控制器+存储器+输入设备+输出设备
  • 用二进制表示指令和数据，指令=操作码（指出操作类型）+地址码（指出操作数地址）
  • 采用存储程序工作方式
• 现代计算机结构
  • 计算机=CPU(运算器+控制器)+存储器+I/O设备

PC	程序计数器	IR	指令寄存器
MAR	存储器地址寄存器	MDR	存储器数据寄存器
ALU	算术逻辑部件	GPRs	通用寄存器组

程序如何执行的？

• 程序执行前

  数据和指令事先存放在存储器，每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，由OP、ADDR字段组成，程序起始地址由PC给出

• 开始执行程序

  1. 根据PC取指令
  2. 指令译码
  3. 取操作数
  4. 指令执行
  5. 回写结果
  6. 修改PC的值

指令需给出的信息：

1. 操作性质（操作码）
2. 源操作数1 或/和 源操作数2（立即数、寄存器编号、存储地址）
3. 目的操作数地址（寄存器编号、存储地址）

💡 存储地址的描述和操作数的数据结构有关

1.3 程序开发和执行过程简介

机器语言—>汇编语言—>高级程序设计语言

• 机器语言

  01串组成

• 汇编语言程序

  将汇编语言转换为机器语言，由汇编指令构成

  汇编指令：用助记符和标号来表示的指令

  指令：包含操作码和操作数或其地址码

  （机器指令用二进制，汇编指令用符号）只能描述取/存一个数，两个数的加减乘除或与…

  Ld M#,R#  (将存储单元内容装入寄存器)
  St R#,M#  (将寄存器内容写入存储器)
  add B

• 高级语言

  有两种方式转换为机器语言（编译/解释）

  • 编译程序(C/C++)：将源程序转换为机器级目标程序，执行时启动目标程序
  • 解释程序(Java/Python)：将语句逐条翻译为机器指令并立即执行，不生成目标文件

  举个例子：GCC+Linux下编译hello.c

  

支持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

💡 系统软件区别于应用软件，如文字处理程序（word等）属于应用软件

• 语言处理系统：语言处理程序（编辑器、编译程序/解释程序）+运行时系统（库函数、调试、优化等）

• 操作系统：GUI、CUI

  语言处理系统运行在操作系统上，操作系统用指令管理硬件。

1.4 计算机系统层次结构

• 机器语言编写

  应用程序→指令集体系结构→计算机硬件

• 汇编语言编写

  应用程序→汇编程序→操作系统→指令集体系结构→计算机硬件

• 高级语言编写

  应用程序→语言处理系统→操作系统→指令集体系结构→计算机硬件

• 指令集体系结构（Instruction Set Architecture, ISA）

  ISA是一种规约，规定了如何使用硬件：

  1. 可执行指令的集合（include 指令格式、操作种类）
  2. 指令可接受的操作数类型
  3. 操作数能存放的寄存器组的结构
  4. 操作数能存放的存储空间的大小和编址方式
  5. 操作数存放时按大端还是小端
  6. ……

  没有ISA，软件无法使用硬件

  不同的ISA规定的指令集不一样，如IA-32、MIPS、ARM等

  同一种ISA可以有不同的计算机组成，如乘法指令可用ALU或乘法器实现