计算机硬件
计算机硬件
早期冯诺依曼机
存储程序概念：将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。
- 输入设备：将信息转换成机器能识别的形式
- 输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式
- 存储器：存放数据和程序
- 运算器：算术运算，逻辑运算
- 控制器：指挥程序运行
在计算机系统中，硬件和软件在逻辑上时等效的。对于乘法运算，就可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算也可以用软件的方式，执行多次加法实现。
冯诺依曼计算机的特点
- 计算机有五大部件组成：控制器，存储器，运算器，输入输出设备等等。
- 指令和数据以同等地位存储器，可按地址访存，指令和数据用二进制表示
- 指令有操作码和地址码组成：操作码指明运算方式，地址码指明在哪找数据进行运算。
- 存储程序：会提前把指令程序提前存到存储器中
- 以运算器为中心：输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成
不合理的地方：输入设备到存储器要经过运算器处理，这就大大降低了运算器的效率。
现代计算机的结构
现代计算机：以存储器为中心。
在集成电路出现了之后，运算器和控制器被集成到一起，这就是CPU。
- 内存：主存（内存条,基于
DRAM）与高速缓存（Cache,基于SRAM）两部分。主存就是内存是内存的一部分。 - 外存又称为辅存：是指除计算机内存及
CPU缓存以外的存储器，此类存储器断电后仍能保存数据。常见的外存有硬盘、光盘、U盘等。我们现在笔记本所使用的SSD固态硬盘，机械硬盘等等就是外部存储器。CPU如果想访问外存中的数据，必须先把外存的数据保存到内存中，CPU再去读取内存中的数据。
硬件工作原理
主存储器的基本组成
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- 存储体：数据在存储器内按地址存储
- 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
- 存储字：存储单元中二进制代码的组合
- 存储字长：存储单元中二进制代码的位数
- 存储元：存储二进制数据的电子元件,每个电子元件存储1bit
MAR：存储地址寄存器，MAR位数反应存储单元的个数。MDR：存储数据寄存器，存储器中取出的数据将放到MDR中，所以MDR的位数等于存储字长。
注意：现代的计算机将MAR和MDR也集成到了CPU中
- 如果
MAR有4位，那么总共就有$2^4$个存储单元 - 如果
MDR有16位，每个存储单元可存放16bit，1个字(word) =16bit，（字的大小取决于计算机硬件）
工作过程
CPU通过控制总线控制主存储器写数据还是读数据
读数据的过程
CPU将数据的地址写到MAR中MAR根据地址找到这个数据所在的位置。MAR将数据写到MDR中。CPU从MDR中拿走数据
运算器的基本组成
控制器基本组成
完成一条指令：
- 取指令
PC取址 - 分析指令
IR取址 - 执行指令
CU计算
计算机工作过程
计算机软件
三种高级语言
编译程序：将高级语言编写的源程序全部语句一次全部反应成机器语言程序，而后再执行机器语言程序。（只需编译一次）
解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言程序的语句，并立即执行。紧接着再翻译下一句（每次执行都要编译）
软件和硬件逻辑功能等价性
软件和硬件逻辑功能等价性：同一个功能，既可以用硬件实现（性能高或者成本高），也可以使用软件实现（性能成本低）
指令集体系结构(ISA)：软件和硬件之间的界面，设计计算机系统的ISA。就是要定义一台计算机可以支持哪些指令，以及每条指令的作用是什么，每条指令的用法是什么。
计算机系统的的层次解构
- 计算机体系结构：计算机语言程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构和功能。（指令系统，数据类型，寻址技术，I/O原理）
- 计算机组成原理：实现计算机体系结构所体现的属性，对程序员透明（具体指令的实现）
计算机系统的工作原理
存储程序的工作模式
存储程序工作方式规定：程序执行前，需要将程序所含的指令和数据送入主存储器，一旦程序被启动执行，就无需操作人员干预，自动逐条完成指令的取出和执行任务。
每条指令的执行过程：
- 从主存储器中取指令，对指令进行译码。
- 计算下一条指令地址。
- 取操作数并执行。
- 将结果送回存储器。
每次先将程序的第一条指令放到存储器中，取指令时，将PC的内容作为地址访问存储器。每条指令的执行过程中，都需要计算下条将执行指令的地址，并送至PC。
- 对于顺序型指令：下一条指令地址为
PC的内容加上当前指令的长度。 - 对于跳转型指令：下一条指令地址为指令中指定目标的地址。
源程序到可执行文件
- 编译器：将源程序翻译为汇编语言
- 汇编器：将汇编语言程序翻译为二进制机器语言
- 连接器：将多个相关的目标模块连接成完整的可执行文件。
- 预处理阶段：预处理器
(cpp)先将包含的头文件内容插入程序文件，输出结果是以.i为拓展名的文件。 - 编译阶段：编译器
(ccl)对预处理后的源程序进行编译，生成一个汇编语言程序。输出结果是以.s为拓展名的文件。 - 汇编阶段：汇编器
(as)将汇编文件翻译为机器语言指令，输出结果是以.o为拓展名的文件。 - 链接阶段：链接器
(ld)将多个.o文件和标准库函数合并作为一个可执行的目标文件，简称可执行文件。
