计算机系统层次结构

article/2025/9/21 23:36:54

计算机系统层次结构

计算机系统的组成

硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统

计算机硬件

冯诺依曼机

特点：

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大部分组成
指令和数据以同等的地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机能区分
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

存储程序的基本思想：将事先编制好的程序和原始数据送入主存后才能执行，一旦程序被启动执行，就无须操作人员的干预，计算机会自动逐条执行指令，直至程序执行结束

计算机的功能部件

输入设备

将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入计算机

输出设备

将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出

存储器

主存储器
辅助存储器

CPU能够直接访问主存储器

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地址寄存器（MAR）：存放访存地址

数据寄存器（MDR）：暂存要从存储器中读或写的信息

时序控制逻辑：用于产生存储器操作所需的各种时序信号

MAR为10位，则有 $2^{10}$ =1024个存储单元

MDR的位数和存储字长相等

MAR与MDR虽然是存储器的一部分，但在现代计算机中却是存在于CPU中的

高速缓存（Cache）也存在于CPU中

运算器

进行算数运算和逻辑运算

运算器的核心是算数逻辑单元（ALU）

包含若干通用寄存器：暂存操作数和中间结果

累加器（ACC）：必须
乘商寄存器（MQ）：必须
操作数寄存器（X）：必须
变址寄存器（IX）
基址寄存器（BR）

程序状态寄存器（PSW）：标志寄存器，存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息

控制器

计算机的指挥中心

组成：

程序计数器（PC）：存放当前欲执行指令的地址，可以自动加一指向下一条指令
指令寄存器（IR）：存放当前的指令，其内容来自主存的MDR
控制单元（CU）：分析指令并发出各种微操作命令序列

中央处理器（CPU）：一般将运算器和控制器集成到同一个芯片上

CPU和主存储器构成主机

除主机外的硬件装置为外设

计算机软件

按其功能分类：

系统软件：一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用，主要有：操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）、语言处理程序、分布式软件系统、网络软件系统、标准库程序、服务性程序等
应用软件：用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序，如各种科学计算类程序

三个级别的语言

机器语言：二进制代码语言，计算机唯一可以识别和执行的语言
汇编语言：用助记符编写，以便记忆
高级语言：（C、C++、JAVA等）

翻译程序：

汇编程序（汇编器）：将汇编语言翻译成机器语言
解释程序（解释器）：将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）：将高级语言翻译成汇编语言或机器语言程序

软件和硬件逻辑功能等价性

硬件实现的往往是最基本的算术和逻辑运算功能，而其他功能大多通过软件的扩充得以实现

计算机系统的层次结构

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