【体系结构 一 概述】

1. 计算机体系结构的概念

1.1 计算机系统中的层次概念

从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。

计算机语言：计算机程序设计语言，其核心构成元素是语句，核心是描述计算机系统可以理解并能够按照规定执行的操作。

翻译与解释的异同点：

• 相同: 都是以执行一串N级指令来实现N+1级指令。
• 不同：
  • 翻译：先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。
  • 解释：每当一条N+1级指令被译码之后，就去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级指令，依次重复进行。
    • 在这个过程中不产生翻译出来的程序，因此解释过程是边变换、边执行的过程
    • 解释执行比翻译花的时间多，但占用存储空间较少

1.2 计算机体系结构

计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构和功能特性

按照计算机系统的多级层级结构，不同级程序员看到的计算机具有不同的属性。

透明性： 在计算机技术中，对于本来是存在的事物或属性，从某种角度看却好像不存在的概念称之为透明性

• 通常在一个计算机系统中，低层机器的属性往往对高层机器的程序员是透明的。

机器语言程序设计者或编译程序生产系统为使其所设计或生成的程序能够在机器上正确运行所必须遵循的计算机属性（概念性结构和功能特性）如下：

属性	解释
数据表示	硬件能直接辨认和处理的数据类型
寻址规则	包括最小寻址单元、寻址方式及其表示
存储器定义	各种寄存器定义、数量、使用方式
指令集	机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构
中断系统	中断的类型和中断响应硬件的功能等
机器工作状态的定义和切换	管态、目态
存储系统	主存容量、最大存储容量
信息保护	信息保护方式和硬件对信息保护的支持
输入/输出结构	I/O连接方式、处理及和存储器与I/O设备间数据传送的方式和格式以及I/O操作状态等

这些属性是由计算机系统中硬件或固件完成的功能，程序员在了解这些属性后才能编写出传统机器上正确运行的程序。
因此经典计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计。

1.3 计算机组织和计算机实现技术

计算机组织：计算机系统的逻辑实现
计算机实现：计算机系统的物理实现

向后兼容性：才是系列机的根本特征。

2.计算机体系结构的发展

• 计算机体系结构是研究计算机系统中软、硬件界面的，即研究哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成。
• 实际上，软件和硬件在逻辑功能上是等效的。
• 对于计算机系统软件、硬件功能的分配应保证在满足应用的前提下，充分利用硬件和器件技术的发展，使得系统达到较高的性价比。

2.1 存储程序结算及结构及其发展

冯诺依曼架构：

数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。

1、存储器用来存放数据和程序；

2、运算器主要运行算数运算和逻辑运算，并将中间结果暂存到运算器中；

3、控制器主要用来控制和指挥程序和数据的输入运行，以及处理运算结果；

4、输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式，常见的有键盘，鼠标等；

5、输出设备可以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。