第一章 计算机系统概论

1.1计算机系统简介

1.1.3计算机组成和计算机体系结构

区别——

1. 计算机体系结构：那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性；

   计算机系统的属性通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等，大多属于抽象的属性。——由于计算机系统具有多级层次及结构，因此，站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性也是各不相同的。

2. 计算机组成：如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节——

1. 指令系统体现了机器的属性——计算机结构的问题；

2. 指令的实现，即如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果等——计算机组成问题。

3. 意义：结构相同、组成不同的计算机，价格和性能有极大差异。

1.2计算机的基本组成

1.2.1冯-诺依曼计算机的特点

背景：1945年，数学家冯-诺依曼（von Neumann）在研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念。

冯-诺依曼机：以“存储程序”概念为基础的各类计算机。

特点——

1. 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成；

2. 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访；

3. 指令和数据均用二进制数表示；

4. 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；

5. 指令在存储器内按顺序存放：通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果，或根据设定的条件改变执行顺序；

6. 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传输通过运算器完成。

1.2.2计算机的硬件框图

发展——

1. 冯-诺依曼计算机：以运算器为中心

2. 现代的计算机：以存储器为中心

现代计算机五大部件（子系统）的功能——

1. 运算器用来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

2. 存储器用来存放数据和程序

3. 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果

4. 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等

5. 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出、显示器输出等。

CPU：由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往集成在同一芯片上，因此，通常将它们合起来统称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。

I/O设备：输入设备与输出设备简称为I/O设备（Input/Out Equipment）.

现代计算机可认为由三大部分组成——

1. CPU

2. I/O设备

3. 主存储器（Main Memory，MM）

主机：CPU与主存储器合起来又可称为主机；I/O设备：又可称为外部设备。

存储器子系统——

1. 主存储器：用来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息；

2. 辅助存储器：简称辅存，又称外存。

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）：简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算。

控制单元（ControlUnit，CU）：用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令，作用——

1. 是CPU的核心部件

2. I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入、输出操作

1.2.3计算机的工作步骤

用计算机解决一个实际问题通常包含两大步骤——

1. 上机前的各种准备

2. 上机运行

a.上机前的准备

准备工作分三个步骤：

1. 建立数学模型：通过大量的实验和分析，总能找到一系列反映研究对象变化规律的数学方程组——将这类方程组称为被研究对象变化规律的数学模型——研究对象的变化规律就变成了解一系列方程组的数学问题，通过计算机求解。

2. 确定计算方法：由于数学模型中的数学方程式往往是很复杂的，欲将其变成适合计算机运算的加、减、乘、除四则运算。还必须确定对应的计算方法。

3. 编制解题程序：程序是适合于机器运算的全部步骤，编制解题程序就是将运算步骤用一一对应的机器指令描述。