本笔记是学习南大袁春风老师的《计算机系统基础》时整理的笔记。若有理解错误，欢迎大家指正！谢谢~
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视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV1kE411X7S5?p=9&spm_id_from=pageDriver

一、什么是计算机系统？

程序的执行结果 不仅取决于 算法、程序编写，而且取决于 语言处理系统、操作系统、ISA、微体系结构。

不同计算机课程处于不同层次，必须将各层次关联起来解决问题。

1. “计算机系统基础” 内容概要

三个主题

2. 为什么要学习 “计算机系统基础”？

3. 冯 · 诺依曼结构

1946年，普林斯顿高等研究院开始设计 “存储程序” 计算机，被称为 IAS计算机。

• 在这个报告中提出的计算机结构被称为 冯 · 诺依曼结构。
• 冯 · 诺依曼结构最重要的思想是 “存储程序”
  工作方式：任何要计算机完成的工作都要先被编写成程序，然后将程序和原始数据送入主存并启动执行。一旦程序被启动，计算机应能在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。
• 几乎现代所有的通用计算机大都采用 冯 · 诺依曼结构，因此。IAS计算机是现代计算机的原型机。

冯 · 诺依曼结构计算机模型

冯 · 诺依曼结构的主要思想

4. 现代计算机结构

CPU：中央处理器；PC：程序计数器；MAR：存储器地址寄存器
ALU：算术逻辑部件；IR：指令寄存器；MDR：存储器数据寄存器
GPRs：通用寄存器组（由若干通用寄存器组成，早期就是累加器）

计算机是如何工作的？

厨房：CPU；你妈：控制器；盘：GPRs；锅灶等：ALU；架子：存储器

5. 从机器级语言到高级语言

5.1 最早的程序开发过程

• 用机器语言编写程序，并记录在纸带或卡片上（所有信息都是 0 / 1序列）
• 书写、阅读困难！

5.2 用汇编语言开发程序

• 用助记符表示操作码
• 用标号表示位置
• 用助记符表示寄存器
• … …

优点：不会因为增减指令而修改其他指令；不需记忆指令编码，编写方便；可读性比机器语言强

但是，须通过汇编程序将汇编语言转为机器语言，机器才能够运行。

结论：用汇编语言比机器语言好，但是，还是很麻烦！

机器语言和汇编语言都是面向机器结构的语言，故它们统称为 机器级语言。

5.3 用高级语言开发程序

• 它们与具体机器结构无关
• 面向算法描述，比机器级语言描述能力强得多
• 高级语言中一条语句对应几条、几十条甚至几百条指令
• 有 “面向过程” 和 “面向对象” 的语言之分
• 处理逻辑分为三种结构
  顺序、选择、循环结构
• 有两种转换方式： “编译” 和 “解释”
  • 编译程序(Compiler)：将高级语言源程序转换为机器级目标程序，执行时只要启动目标程序即可。
  • 解释程序(Interpreter)：将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行，不生成目标文件。

一个典型程序的转换处理过程

#include <stdio.h>
int main()
{
   printf("hello, world\n");
}

Hello程序的数据流动过程

不同层次语言之间的等价转换

任何高级语言最终通过执行若干条指令来完成！

6. 计算机系统的层次结构

6.1 历程

最早的计算机用机器语言编程（第一代程序设计语言）

后来用汇编语言编程（第二代程序设计语言）

现代计算机用高级语言编程

• 过程式语言（第三代程序设计语言）

• 非过程(面向对象)语言（第四代程序设计语言）：编码时只需说明 “做什么”，不需要描述具体的算法实现细节。

语言处理系统包括：各种语言处理程序（如编译、汇编、链接）、运行时系统（如库函数，调试，优化等功能）

操作系统包括 人机交互界面、提供服务功能的内核例程

可以看出：语言的发展是一个不断 “抽象” 的过程，因而，相应的计算机系统也不断有新的层次出现。

现代计算机系统的不同用户

• 最终用户 工作在由应用程序提供的最上面的抽象层；
• 系统管理员 工作在由操作系统提供的抽象层；
• 应用程序员 工作在由语言处理系统（主要有编译器和汇编器）的抽象层；
  语言处理系统建立在操作系统之上
• 系统管理员 （实现系统软件）工作在ISA层次，必须对ISA非常了解。

编译器和汇编器的目标程序由机器级代码组成；
操作系统通过指令直接对硬件进行编程工作；
ISA处于软件和硬件的交界口（接口）。

6.2 指令集体系结构(ISA)

• ISA简称为 指令系统。

• ISA是一种规约，它规定了如何使用硬件：

  

• ISA在 通用 计算机系统中是必不可少的一个抽象层，Why？

  • 没有它，软件无法使用计算机硬件！
  • 没有它，一台计算机不能称为 “通用计算机”

• ISA 和 计算机组成(微结构) 之间的关系

  • 不同ISA规定的指令集不同，如，IA-32、MIPS、ARM等
  • 计算机组成必须能够实现ISA规定的功能，如提供 GPR、标志、运算电路等
  • 同一种ISA可以有不同的计算机组成，如乘法指令可用ALU或乘法器实现

  ISA是计算机组成的抽象！