第一章 计算机系统概述

计算机系统的组成：
计算机系统是由硬件系统和软件系统组成。

冯诺依曼架构：
冯诺依曼体系的基本思想是将程序指令存储和数据一起存储在计算机的内存中，首次提出了"存储程序"的概念，其主要由如下几个部件构成：
1. 输入设备
2. 输出设备
3. 存储器，可分为主存储器(内存)和辅存储器(外存)
4. 运算器，运算器和控制器可一起简化为CPU
5. 控制器
其基本结构如下：(主要用于了解结构体系)

上述五个主要部分可如下划分归类：(需要注意主机的概念)

冯诺依曼体系的特点有：
1. 指令和数据以同等地位存储并可以按地址访问
2. 数据和指令均以二进制表示
3. 指令由操作码和地址码(运算数的地址)组成
4. 会提前将指令和数据存储到存储器中
5. 冯诺依曼结构以运算器为核心，现代计算机以存储器为中心。

主存储器的基本组成：
其由存储体、MAR(存储地址寄存器)、MDR(存储数据寄存器)组成，其主要基本结构如下图所示：

其中：
MAR为存储地址寄存器，用于存放访存地址，其长度一般与PC的长度相等，其长度可以决定存储体中存储单元个数的上限。
MDR为存储数据寄存器，用于暂存要读写的信息，其长度与存储字长相等，一般为2的幂的整数倍。
在现代计算机中，MAR和MDR一般集成于CPU内部。
在主存储器中还有以下基础概念：
存储单元：存储单元是每个存储体以寻址方式进行划分的最小单元。
存储字：是存储器存储和处理数据的最小单位，其字长不定，取决于具体计算机。
存储字长：存储单元中二进制的位数。
存储元：用于存储二进制的电子元件，每个存储元可存储1bit。

运算器的组成：
运算器主要由以下几个部件组成(三个寄存器加一个算术单元)：
ACC：累加器，用于存放操作数或运算结果。
MQ：乘商寄存器，用于存放操作数(乘数、被除数)或运算结果，仅在乘法或除法中使用。
X：通用操作数寄存器(通常有多个)，用于存放操作数(加数、被乘数、除数)。
ALU：算术逻辑单元，其由复杂的逻辑电路构成，用于实现算术操作。
其结构如下：

控制器的基本组成：
控制器的基本组成主要由以下几个部件组成：
CU：控制单元，用于分析指令和给出控制信号
IR：指令寄存器，存放当前所执行的指令
PC：程序计数器，用于存放下一条指令的地址，有自动加一的功能
控制器完成一条指令的流程为：
1. 从PC指向的地址取指令
2. 使用IR分析指令
3. 使用CU执行指令
其中，前两个阶段可以合并称为取指令阶段，最后一个阶段为执行指令的阶段。

接下来可以简单模拟一下CPU执行如下C语言代码的流程：

void func()
{
    int a = 1, b = 2;
    a = a + b;
}
复制

其会被编译为如下汇编代码：

func:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 1; 将1赋值给a，下述分析流程将从此开始
        mov     DWORD PTR [rbp-8], 2; 将2赋值给b
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]; 将b存储到通用寄存器eax
        add     DWORD PTR [rbp-4], eax; 执行加法运算，并将结果缓存到第一个操作数
        nop
        pop     rbp
        ret
复制

从 mov     DWORD PTR [rbp-4], 1 开始分析，此时二进制指令如下：

则从指令 mov     DWORD PTR [rbp-4], 1 开始，该计算机的工作流程为：
0. PC 指向内存地址 2 ，并运行完内存地址为 1 中的指令。

1. 此时 PC 指向地址 2 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。该过程的具体流程为：
   1. 将 PC 中的值存入 MAR ，并且 PC 自增
   2. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
   3. 主存储器将 MAR 指向的指令 mov     DWORD PTR [rbp-4], 1 存入 MDR
   4. MAR 中的数据通过数据总线存入指令寄存器 IR 中
   5. IR 中的操作码部分会被存入控制单元 CU 中，并分析操作码
   6. 控制单元 CU 会将 [rbp-4] 和 1 分别存入 MAR 和 MDR 中，以修改 [rbp-4] 中的数据。
2. 此时 PC 指向地址 3 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。
3. 此时 PC 指向地址 4 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。该过程的具体流程为：
   1. 将 PC 中的值存入 MAR ，并且 PC 自增
   2. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
   3. 主存储器将 MAR 指向的指令 mov     eax, DWORD PTR [rbp-8] 存入 MDR
   4. MAR 中的数据通过数据总线存入指令寄存器 IR 中
   5. IR 中的操作码部分会被存入控制单元 CU 中，并分析操作码
   6. 控制单元 CU 会将 [rbp-8] 中的数据存入通用寄存器 eax 中。
4. 此时 PC 指向地址 5 ，取 PC 指向的指令，且 PC 自动加一。该过程的具体流程为：
   1. 将 PC 中的值存入 MAR ，并且 PC 自增
   2. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
   3. 主存储器将 MAR 指向的指令 add     DWORD PTR [rbp-4], eax 存入 MDR
   4. MAR 中的数据通过数据总线存入指令寄存器 IR 中
   5. IR 中的操作码部分会被存入控制单元 CU 中，并分析操作码
   6. 控制单元 CU 会将 [rbp-4] 存入 MAR 中
   7. 主存储器根据 MAR 指向的地址读取内存
   8. 主存储器将 MAR 指向的数据 1 存入 MDR
   9. 控制单元 CU 将 MDR 中的数据存入 ACC 中
   10. 执行加法运算，并将结果存入 ACC 中
   11. 控制单元 CU 将 [rbp-4] 和 ACC 中的数据分别存入MAR和MDR中，以修改 [rbp-4] 中的数据。
5. 余下略。

在上述例子中，每行汇编指令就是一个传统机器指令，而每个汇编指令背后所需要执行的操作就是微程序机器指令。