第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡介

1.1.3計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

區(qū)別——

1. 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：那些能夠被程序員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性；

   計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性通常是指用機(jī)器語言編程的程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器的屬性，包括指令集、數(shù)據(jù)類型、存儲(chǔ)器尋址技術(shù)、I/O機(jī)理等，大多屬于抽象的屬性。——由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有多級層次及結(jié)構(gòu)，因此，站在不同層次上編程的程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性也是各不相同的。

2. 計(jì)算機(jī)組成：如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了許多對程序員來說是透明的硬件細(xì)節(jié)——

1. 指令系統(tǒng)體現(xiàn)了機(jī)器的屬性——計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的問題；

2. 指令的實(shí)現(xiàn)，即如何取指令、分析指令、取操作數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果等——計(jì)算機(jī)組成問題。

3. 意義：結(jié)構(gòu)相同、組成不同的計(jì)算機(jī)，價(jià)格和性能有極大差異。

1.2計(jì)算機(jī)的基本組成

1.2.1馮-諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

背景：1945年，數(shù)學(xué)家馮-諾依曼（von Neumann）在研究EDVAC機(jī)時(shí)提出了“存儲(chǔ)程序”的概念。

馮-諾依曼機(jī)：以“存儲(chǔ)程序”概念為基礎(chǔ)的各類計(jì)算機(jī)。

特點(diǎn)——

1. 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成；

2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址尋訪；

3. 指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制數(shù)表示；

4. 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置；

5. 指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放：通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序；

6. 機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳輸通過運(yùn)算器完成。

1.2.2計(jì)算機(jī)的硬件框圖

發(fā)展——

1. 馮-諾依曼計(jì)算機(jī)：以運(yùn)算器為中心

2. 現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)：以存儲(chǔ)器為中心

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)五大部件（子系統(tǒng)）的功能——

1. 運(yùn)算器用來完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi)

2. 存儲(chǔ)器用來存放數(shù)據(jù)和程序

3. 控制器用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入，運(yùn)行以及處理運(yùn)算結(jié)果

4. 輸入設(shè)備用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識別的信息形式，常見的有鍵盤、鼠標(biāo)等

5. 輸出設(shè)備可將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式，如打印機(jī)輸出、顯示器輸出等。

CPU：由于運(yùn)算器和控制器在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)上聯(lián)系十分緊密，尤其在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)后，這兩大部件往往集成在同一芯片上，因此，通常將它們合起來統(tǒng)稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。

I/O設(shè)備：輸入設(shè)備與輸出設(shè)備簡稱為I/O設(shè)備（Input/Out Equipment）.

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可認(rèn)為由三大部分組成——

1. CPU

2. I/O設(shè)備

3. 主存儲(chǔ)器（Main Memory，MM）

主機(jī)：CPU與主存儲(chǔ)器合起來又可稱為主機(jī)；I/O設(shè)備：又可稱為外部設(shè)備。

存儲(chǔ)器子系統(tǒng)——

1. 主存儲(chǔ)器：用來存放程序和數(shù)據(jù)，可以直接與CPU交換信息；

2. 輔助存儲(chǔ)器：簡稱輔存，又稱外存。

算術(shù)邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）：簡稱算邏部件，用來完成算術(shù)邏輯運(yùn)算。

控制單元（ControlUnit，CU）：用來解釋存儲(chǔ)器中的指令，并發(fā)出各種操作命令來執(zhí)行指令，作用——

1. 是CPU的核心部件

2. I/O設(shè)備也受CU控制，用來完成相應(yīng)的輸入、輸出操作

1.2.3計(jì)算機(jī)的工作步驟

用計(jì)算機(jī)解決一個(gè)實(shí)際問題通常包含兩大步驟——

1. 上機(jī)前的各種準(zhǔn)備

2. 上機(jī)運(yùn)行

a.上機(jī)前的準(zhǔn)備

準(zhǔn)備工作分三個(gè)步驟：

1. 建立數(shù)學(xué)模型：通過大量的實(shí)驗(yàn)和分析，總能找到一系列反映研究對象變化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程組——將這類方程組稱為被研究對象變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型——研究對象的變化規(guī)律就變成了解一系列方程組的數(shù)學(xué)問題，通過計(jì)算機(jī)求解。

2. 確定計(jì)算方法：由于數(shù)學(xué)模型中的數(shù)學(xué)方程式往往是很復(fù)雜的，欲將其變成適合計(jì)算機(jī)運(yùn)算的加、減、乘、除四則運(yùn)算。還必須確定對應(yīng)的計(jì)算方法。

3. 編制解題程序：程序是適合于機(jī)器運(yùn)算的全部步驟，編制解題程序就是將運(yùn)算步驟用一一對應(yīng)的機(jī)器指令描述。