计算机组成原理02

1.3 计算机系统的层次结构

1.3.1 计算机系统的基本组成

（一） 计算机硬件

1. 冯·诺依曼计算机

​ 冯·诺依曼在研究EDVAC计算机时提出了 “存储程序”的概念，“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构，以此概念为基础的各类计算机通称为冯•诺依曼计算机，其特点如下：

• 采用“存储程序”的工作方式。
• 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成。
• 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机应能区分它们。
• 指令和数据均用二进制代码表示。
• 指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址

2. 计算机的功能部件

• 存储器：分为主存和辅存，中央处理器可以直接访问的程序和数据存放在主存中。
• 运算器：完成对信息或数据的处理和运算，如算术和逻辑运算。
• 控制器：完成对计算机各部件协同运行的指挥控制，即保证指令按预定的次序执行，保障每一条指令按规定的执行步骤正确执行，还要处理各项紧急事件。
• 输入设备：用来输入原始数据和程序，如键盘、鼠标。
• 输岀设备：用来输出计算机的处理结果，如显示器和打印机。

​ 一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上，称为中央处理器(CPU)。CPU和主存储器共同构成主机，而除主机外的其他硬件装置(外存、I/O设备等)统称为外部设备，简称外设。

（二） 计算机软件

1. 软件的分类

​ 软件按其功能分类，可分为系统软件和应用软件。

2. 三个级别的计算机语言
3. 
   1） 机器语言

​ 机器语言由二进制编码组成，它是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。

（2） 汇编语言

​ 汇编语言是用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解。汇编语言程序必须经过汇编操作，转换为机器语言后，才能在计算机硬件上执行。

（3） 高级语言

​ 高级语言（如C、C++、Java等）程序需要先经过编译程序编译成汇编语言程序，再经过汇编操作 成为机器语言程序。高级语言程序也可直接通过解释的方式“翻译”成机器语言程序。

​ 由于计算机无法直接理解和执行高级语言程序，因此需要将高级语言程序转换为机器语言程序，通常把进行这种转换的软件系统称为翻译程序。翻译程序有以下三类：

• 汇编程序（汇编器）：将汇编语言程序翻译成机器语言程序。
• 解释程序（解释器）：将高级语言源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并立即执行。
• 编译程序（编译器）：将高级语言源程序翻译成汇编语言程序或机器语言程序。

1.3.2 计算机硬件的基本结构

​ 典型的冯·诺依曼计算机是以运算器为中心的，如下图所示。其中，输入、输出设备与存储器之间的数据传送都需通过运算器。图中实线为数据线，虚线为控制线和反馈线。1） 机器语言

​ 机器语言由二进制编码组成，它是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。

（2） 汇编语言

​ 汇编语言是用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解。汇编语言程序必须经过汇编操作，转换为机器语言后，才能在计算机硬件上执行。

（3） 高级语言

​ 高级语言（如C、C++、Java等）程序需要先经过编译程序编译成汇编语言程序，再经过汇编操作 成为机器语言程序。高级语言程序也可直接通过解释的方式“翻译”成机器语言程序。

​ 由于计算机无法直接理解和执行高级语言程序，因此需要将高级语言程序转换为机器语言程序，通常把进行这种转换的软件系统称为翻译程序。翻译程序有以下三类：

• 汇编程序（汇编器）：将汇编语言程序翻译成机器语言程序。
• 解释程序（解释器）：将高级语言源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并立即执行。
• 编译程序（编译器）：将高级语言源程序翻译成汇编语言程序或机器语言程序。

1.3.2 计算机硬件的基本结构

​ 典型的冯·诺依曼计算机是以运算器为中心的，如下图所示。其中，输入、输出设备与存储器之间的数据传送都需通过运算器。图中实线为数据线，虚线为控制线和反馈线。

现代的计算机已转化为以存储器为中心，如下图所示。图中实线为控制线，虚线为反馈线，双线为数据线。

​ 图中各部件的功能是：

• 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；
• 存储器用来存放数据和程序；
• 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；
• 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。
• 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。

​ 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，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将它们合起来统称为中央处理器(Central Processing Unit) ， 简称CPU。把输入设备与输出设备简称为I/O设备(Input/Output equipment) 。

​ 这样， 现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、IO设备及主存储器(Main Memory，MM) 。CPU与主存储器合起来又可称为主机， I/O设备叫作外部设备。

• 主存储器是存储器子系统中的一类，用来存放程序和数据， 它可以直接与CPU交换信息。另一类叫辅助存储器， 简称辅存， 又叫外存。
• ALU(Arithmetic Logic Unit) 算术逻辑运算单元，用来完成算术逻辑运算。
• CU(Control Unit) 控制单元， 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。

​ ALU和CU是CPU的核心部件。I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入、输出操作。可见，计算机有条不紊地自动工作，都是在控制器统一指挥下完成的。