<{网上配资股票}>计算机系统啥构成？冯·诺伊曼机特点及存储程序工作方式介绍

概述

计算机系统层次结构

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。硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中实际物理装置的总称。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。对某一功能来说计算机系统啥构成？冯·诺伊曼机特点及存储程序工作方式介绍，若既可以用软件实现，又可以用硬件实现，则称为软/硬件在逻辑功能上是等价的。一个功能若使用较为频繁且用硬件实现的成本较为理想，则使用硬件解决可以提高效率。冯·诺伊曼机

“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统称冯·诺伊曼机，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计算机存储系统一般指，地址码指出操作数的地址。计算机的功能部件

输入设备/输出设备：略

存储器

存储器分为主存储器（也称主存）和辅助存储器（也称外存）。CPU能够直接访问的存储器是主存储器。辅助存储器用于帮助主存储器存储更多的信息。存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式。

存储器组成

存储体：存放二进制信息存储器地址寄存器（MAR）：存放访存地址。存储器数据寄存器（MDR）：用于暂存要从存储器中读或写的信息。时序控制逻辑：产生存储器操作所需的时序信号。

MAR & MDR

运算器

运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算。算术运算：加、减、乘、除等。逻辑运算：与、或、非、异或、比较、移位等。核心：算术逻辑单元（ALU）运算器包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果，如：累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）、变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）等，其中前三个寄存器是必须具备的。程序状态寄存器（PSW），也称标志寄存器，用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息。

控制器

控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成。程序计数器(PC)：存放当前欲执行的指令的地址，可自动形成下一条指令的地址，它与贮存期的MAR之间有一条直接通路。指令寄存器(IR)：存放当前的指令，其内容来源于主存储器的MDR。指令中的操作码OP(IR)送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列；地址码Ad(IR)送至MAR，用以取操作数。一般将运算器和控制器集成到一个芯片上，称为中央处理器（CPU）。CPU和主存储器共同构成主机，除主机之外的其它硬件装置统称外部设备，简称外设。计算机软件

系统软件和应用软件

1.软件根据功能分类，可分为系统软件和应用软件。

2. 系统软件：保证计算机系统高效、正确运行的基础软件。主要有：操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）等。

3. 应用软件：为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。

语言

机器语言：也称二级制代码语言。是计算机唯一可以识别和执行的语言。汇编语言：用英文单词或其缩写代替二进制的指令的指令代码。高级语言：方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。

翻译程序

汇编程序（汇编器）：将汇编程序翻译为机器语言程序。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）：将高级语言程序翻译成汇编语言或机器语言程序。

速度上：编译>解释。采用解释，而C++采用编译。

计算机的层次结构计算机系统的工作原理

“存储程序”工作方式

“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计算机存储系统一般指，一旦程序被启动执行，就无须操作人员的干预，自动逐条完成指令的取出和执行任务。

从源程序到可执行程序

预处理阶段：预处理器(cpp)对源程序中以字符#开头的命令进行处理。hello.c -> hello.i编译阶段：编译器(ccl)对预处理后的源程序进行编译，生成汇编语言源程序hello.s汇编阶段：汇编器(as)将其翻译成机器语言指令，并打包成可重定位目标文件hello.o链接阶段：链接器(ld)将多个可重定位目标文件和标准库函数合并为一个可执行目标文件，简称可执行文件。

hello.c 源程序 -> hello.i 预处理后的源程序 -> hello.s 汇编程序 -> hello.o 可重定位目标程序 -> hello 可执行目标程序

指令执行过程

取指令：PC->MAR->M->MDR->IR

根据PC取指令到IR。将PC的内容送至MAR，MAR中的内容送至地址线，同时控制器将信号送至I/O信号线，主存储器根据地址线上的地址读信号，从指定存储单元读出指令，送至数据线上，MDR从数据线接受指令信息，送至IR。

分析指令：OP(IR)->CU

指令译码并送出控制信号。控制器根据IR中指令的操作码，生成相应的控制信号，送到不同的执行部件。OP(IR)为取数指令，此时控制信号送至总线的控制线上。

执行指令：Ad(IR)->MAR->M->MDR->ACC

取数操作：将IR中的指令的地址码送至MAR，MAR中的内容送至地址线，同时控制器将读信号送至I/O信号线，从主存储器中读出操作数，并通过数据线送至MDR，再送到ACC中。

每取完一条指令，计算下条指令位置，即：(PC)+1->PC

计算机的主要性能指标

机器字长

机器字长，简称字长，指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二级制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数、ALU有关。字长一般等于通用寄存器的位数或ALU的宽度，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。

数据通路带宽

指数据总线一次所能并行传送信息的位数。指代外部数据总线的宽度，与CPU内部数据总线宽度（内部寄存器大小）可能不同。

主存容量

主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量。也可用字数×字长（512K×16位）来表示存储容量。MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储单元的字长。

运算速度

吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。响应时间：从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。CPU时钟周期：机器内部主时钟脉冲信号的宽度，是CPU工作的最小时间单位。主频（CPU时钟频率）：机器内部主时钟的频率，即时钟周期的倒数。CPI：执行一条指令所需的时钟周期数。注意CPI是一个平均数。IPS：每秒执行多少条指令，IPS=主频/CPI。CPU执行时间：执行一个程序所花费的时间。MIPS：每秒执行多少百万条指令。FLOPS：每秒执行多少次浮点运算。

其它术语

基准程序：专门用来进行性能评价的一组程序，能够很好地反应机器在运行实际负载时的性能。系列机：具有相同的体系结构计算机系统啥构成？冯·诺伊曼机特点及存储程序工作方式介绍，使用相同基本指令系统的多个不同型号的计算机。兼容：指软件和硬件的通用性。固件：将程序固化在ROM中组成的部件称为固件。

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