计算机组成原理——计算机系统的层次结构

要了解数字计算机的主要组成和工作原理，可从打算盘说起。假设给了一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。为了和下面讲到的内容做比较，我们不妨按以下方法把使用算盘进行解题的过程步骤事先用笔详细地记录在带横格的纸上。
首先，将横格纸编上序号，每一行占一个序号，如1， 2，3，…，n，如表1.5所示。其次，把计算式中给定的四个数a，b，c和x分别写到横格纸的第9，10，11， 12行上，每一行只写一个数。接着详细列出给定题目的解题步骤，而解题步骤也需要记在横格纸上，每一步也只写一行，如下表所示，我们从第1行开始，一步一步进行计算，最后可得出所要求的结果。

1945年，冯·诺依曼提出了“存储程序”的概念。以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机。它的特点可归结如下：

运算器就好像是一个由电子线路构成的算盘，示意图如图1.3所示。它的主要功能是进行算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非）。
运算器的核心是算术逻辑单元（ALU）。运算器还包括若干通用寄存器，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3个寄存器是必须有的。另外还有程序状态字寄存器（PSW），保留各类标志信息或CPU状态信息，如溢出标志、进位/借位标志、零标志等。

那么它们是怎么组织存放的呢？

目前通常采用半导体器件制造存储器，我们知道，一个半导体触发器由于有0和1两个状态，可以记忆一个二进制代码。若一个数用16位二进制代码来表示，那么就需要有16个触发器来保存这个数。通常把这样的多个触发器称为一个存储单元（通常取1字节=8位的偶数倍）；存储器是由许多存储单元组成的，每个存储单元都有编号，称为地址。
向存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元，这种存取方式称为按地址存取方式。存储器的结构如图1.4所示，由多个存储单元组成的存储体用于存放二进制信息，地址寄存器（MAR）指出需要访问的地址，经过地址译码后选中要访问的存储单元。数据寄存器（MDR）用于暂存要从存储器中读出或写入的信息，时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。

这个模块的作用是存储1bit数据。比如上面这个RS型的FF，R 是Reset，输入1则清零。S是Set，输入1则保存1。RS都输入0 的时候，会一直输出刚才保存的内容。

控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成。
计算机进行计算时，指令必须是按一定的顺序一条接一条地进行。控制器的基本任务，就是按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作；接着从存储器取出第二条指令，再执行这第二条指令；依次类推。PC就是用来存放下一条指令在主存当中的地址的，每取出一条指令，PC自动加1，从而为取下一条指令做好准备；取出来的指令经过MDR后放入IR，用于分析和判断；在执行指令实现指令功能的时候，往往不是一步到位的，CU就是用来控制发出一系列微操作命令实现这条指令的功能。
通常把运算器和控制器集成在一起称为中央处理器，简称CPU，而CPU和存储器一起构成称为主机，而除此之外输入输出设备、外存等统称为外围设备，简称外设。需要注意的是，MAR与MDR虽然是存储器的一部分，但在现代计算机中却是存在于CPU中的。

系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行。它包括：标准程序库、语言处理程序（如将汇编语言翻译成机器语言的汇编程序或将高级语言翻译成机器语言的编译程序）、操作系统、服务程序（如诊断程序、调试程序、排错程序等）、数据库管理系统（DBMS）、网络软件等。
应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、事务管理程序等。

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，例如将#include命令后面的.h文件内容插入程序文件。输出一个以.i为扩展名的源文件hello.i。
编译阶段：编译器（ccl）对预处理后的源程序进行编译，生成一个汇编语言源程序hello.s。
汇编阶段：汇编器（as）将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一个称为可重定位目标文件的hello.o，它是一种二进制文件。
链接阶段：链接器（1d）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，或简称可执行文件。链接器将hello.o和标准库函数prinft所在的可重定位目标模块prinft.o合并，生成可执行文件hello。