Lecture 1：知识 - 计算机系统层次结构

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描述：本讲从硬件、软件与冯·诺依曼机出发，建立“程序如何被保存、取出、解释并执行”的全局视角。重点是各部件的职责、关键寄存器、层次结构和从源程序到可执行程序的全过程。

1.1 计算机系统与软硬件

定义：#计算机系统

硬件是可见、可触的物理设备总称，如 CPU、主存、硬盘、键盘与显示器。
软件是运行于硬件上的程序、数据和相关文档。计算机性能最终通常通过软件的执行效率和作用体现。
同一逻辑功能既可由硬件完成，也可由软件完成时，称二者在该功能上具有逻辑等价性。例如乘法可由专用乘法器完成，也可由多次加法的软件例程实现；取舍常在速度、成本、灵活性之间。

1.2 冯·诺依曼机的基本结构

1.2.1 五大部件与存储程序

部件	主要职责	典型要点
运算器	算术、逻辑与移位等运算	核心为 ALU，配合寄存器保存操作数和结果
控制器	取指、译码并发出控制信号	PC、IR、CU 是核心
存储器	保存程序与数据	分主存和辅存
输入设备	将外界信息变为机器可接受形式	键盘、鼠标、传感器、网络接口等
输出设备	将处理结果变为用户或其他系统可接受形式	显示器、打印机、网络接口等

冯·诺依曼机的核心思想如下：

计算机由上述五大部件构成；程序采用存储程序方式运行。
指令和数据都以二进制表示，且以同等地位存放于存储器中。
一条指令通常由操作码和地址码构成：操作码说明做什么，地址码说明操作数或转移目标在哪里。
CPU 并不是凭“存储位置”区分指令和数据，而是依据指令周期所处阶段解释同一串二进制位。因此“CPU 无法区分指令和数据”是错误说法。

定义：#存储程序

程序及其数据先以二进制形式装入主存；CPU 从程序首地址取第一条指令，随后按指令规定的顺序或转移关系连续执行，直到结束。启动之后通常不需要操作人员逐条干预。

1.2.2 存储器、MAR 与 MDR

层次	CPU 是否可直接访问	作用
主存储器（内存）	可以	当前运行程序与数据的直接工作区，按地址读写
辅助存储器（外存）	不可以	长期保存更多信息，使用前须调入主存

物理结构关系：存储体 -> 存储单元 -> 存储元件；一个元件保存 1 位 0 或 1。
一个存储单元保存的一串二进制位称为存储字；每个字的位数称存储字长。
**MAR（存储器地址寄存器）**保存欲访问的单元地址，其位数决定可寻址单元数。若 MAR 为 10 位，最多寻址 $2^{10}=1024=1K$ 个单元。
**MDR（存储器数据寄存器）**暂存从主存读出的数据或准备写入主存的数据，其位数通常等于存储字长，常为字节的整数倍。
在基本单地址顺序执行模型中，PC 与 MAR 的位数常相等；这是因为二者都需要容纳主存地址，但具体机器仍以题设为准。

1.2.3 运算器与控制器

组成	功能
ALU	执行加、减、乘、除、与、或、非、异或、比较、移位等
通用/专用寄存器	暂存操作数、中间结果或地址，如 ACC、MQ、X、IX、基址寄存器
PSW（程序状态字寄存器）	保存溢出、进位/借位、负数、零等标志及处理机状态
PC（程序计数器）	保存当前欲执行指令的地址，顺序执行时自动增量形成下一条指令地址
IR（指令寄存器）	保存当前正在执行的指令，内容由 MDR 送入
CU（控制单元）	对 $OP(IR)$ 译码，产生完成各微操作的控制命令序列

PC 中保存的是地址而不是指令本身；指令被取到后在 IR 中接受译码。
PC 的“自动加 1”本质是前进一条指令长度，并不必然是地址数值加 1。
指令地址码 $Ad(IR)$ 可送入 MAR 取操作数，操作码 $OP(IR)$ 则送入 CU 分析。
CPU 与主存通过地址、数据、控制三类信号线连接：MAR 的地址送地址线；读/写控制决定数据方向；MDR 经数据线与主存交换数据。

1.3 软件与计算机系统层次

1.3.1 翻译程序

程序	输入与输出	特点
汇编程序（汇编器）	汇编语言 `->` 机器语言	汇编语句与低级机器指令一一对应或接近对应
编译程序（编译器）	高级语言 `->` 汇编/机器语言	先整体翻译再执行
解释程序（解释器）	源代码语句 `->` 机器指令并立即执行	翻译一条、执行一条，通常不独立生成完整机器目标程序

1.3.2 五层机器结构与 ISA

层次	名称	实现/支持者
第 1 级	微程序机器层	实在硬件直接执行微指令
第 2 级	传统机器语言层	微程序解释机器指令，亦是实际机器层
第 3 级	操作系统层	OS 用机器指令和广义指令扩展功能，属软硬混合层
第 4 级	汇编语言层	汇编程序支持
第 5 级	高级语言层	各种高级语言编译程序支持，最面向用户

这五层是教材用于说明“逐层抽象、下层支撑上层”的概念模型，并不表示每台真实计算机都以同样方式实现。例如，硬布线控制器并不存在由微指令构成的实际微程序；此时第 1 级应理解为控制信号与数据通路层面的硬件实现，而不是强行套用微程序。

定义：#ISA

**指令集体系结构（ISA）**规定软件可见的机器接口，核心包括指令及其编码、操作数类型、寄存器组织、寻址方式、存储器地址空间，以及异常/中断等程序可见行为。它是软硬件的重要接口；同一 ISA 可由流水线结构、Cache 组织和控制器实现均不同的多种微体系结构实现。

1.4 程序的执行与生成

1.4.1 指令周期与取数示例

一条指令的典型过程为：取指 -> 译码 -> 计算下一条地址 -> 取操作数并执行 -> 写回结果。以取数指令为例：

$$ \begin{aligned} &\text{取指：}\quad PC \to MAR \to M \to MDR \to IR\ &\text{分析：}\quad OP(IR) \to CU\ &\text{执行取数：}\quad Ad(IR) \to MAR \to M \to MDR \to ACC \end{aligned} $$

其中 $M$ 代表主存，ACC 是累加器。每一个箭头表示一次信息传送；是否需要取操作数、是否写回主存由指令类型决定。

flowchart LR
    PC["PC<br/>下一条待取指令地址"] -->|指令地址| MAR["MAR<br/>主存地址"]
    MAR -->|地址线| M["主存 M"]
    M -->|读出指令或数据| MDR["MDR<br/>主存数据"]
    MDR -->|取指| IR["IR<br/>当前指令"]
    IR -->|OP| CU["CU<br/>译码并发控制信号"]
    IR -->|Ad| MAR
    MDR -->|取操作数| ACC["ACC<br/>运算操作数或结果"]

图中 IR -> MAR 与 MDR -> ACC 是取操作数阶段；并非每条指令都必须经过这两步，例如寄存器寻址指令可直接从寄存器取得操作数。

1.4.2 从 C 源程序到可执行文件

阶段	主要工作	常见产物
预处理	处理 `#include`、宏等以 `#` 开头的命令	展开后的源程序
编译	将高级语言翻译为汇编语言	`hello.s`
汇编	将汇编语言翻译、打包为机器指令	可重定位目标文件 `hello.o`
链接	合并多个目标文件与标准库，解析外部符号	可执行目标文件

hello.o 是二进制可重定位目标文件，用文本编辑器查看会出现乱码，并不是源程序损坏。
机器语言程序才可被硬件直接执行；高级语言程序和汇编代码都需经过相应翻译。

1.5 本节复盘

冯·诺依曼机的关键是五大部件、二进制、存储程序、指令由操作码和地址码构成。
主存可被 CPU 直接访问，外存中的信息必须先调入主存；MAR 决定地址范围，MDR 对应数据宽度。
PC 存当前待执行指令的地址，IR 存当前指令，CU 解析操作码并发控制信号。
指令与数据同存并不矛盾：CPU 依靠取指、译码、执行等阶段区分其角色。
源程序经过预处理、编译、汇编、链接得到可执行文件；ISA 是软件与硬件之间的约定。