《计算机系统基础》——计算机系统导论

《计算机系统基础》——计算机系统导论

🚀接下来我们要开始学习计算机系统基础，并且会以此开设一整个系列，感兴趣的同学可以订阅本专栏，后期会不断地更行这个系列。本系列所使用的教材是《深入理解计算机系统》这本书，也叫做SCAPP，然后配套课程是南京大学袁春风老师的课程。好了，关于本专栏的介绍就到这里了，让我们开始学习吧。

计算机的基本组成

🚀对于计算机的基本组成，我在计算机组成原理专栏进行了详细的介绍，不清楚的同学可以先去看一下以前下的文章：（二）计算机组成原理——计算机的基本组成_花园宝宝小点点的博客-CSDN博客。在这里，我对其进行一个简单的复习，希望能帮助大家去理解。

🚀首先，我们看到下面这个现代计算机结构模型，接下来我们会以此为例子来对计算机结构进行一个简短的介绍。在此之前，我们先对图中各个部位进行一个简单的说明。

1. CPU：中央处理器。
2. PC：程序计数器。
3. MAR：存储器地址寄存器 。
4. MDR：存储器数据寄存器 。
5. ALU：算术逻辑部件。
6. IR：指令寄存器。
7. GPRs：通用寄存器组。

🚀接下来，我们举个例子来介绍计算机的工作原理，这个例子是关于厨师做饭的故事。不过在这之前我们需要树立一些概念。

首先，CPU就是我们的厨房，一切的工作都在此运行；然后控制器就是我们的厨师；GPRS就是盘；ALU就是厨房的厨具；存储器就相当于厨房外的架子，原材料和菜谱都放在这。

1. 首先，我们从一号架子上面取下菜谱（根据PC取指令）。
2. 看菜谱（指令译码）。
3. 从架上或盘中取原材料（取操作数）。
4. 洗、切、炒等具体操作（指令执行）。
5. 装盘或直接送桌（回写结果）。
6. 算出下一菜谱所在架子号2=1+1（修改PC的值）。

程序开发与执行过程

🚀接下来我们介绍一下程序开发的发展过程，以及其执行过程。

机器语言

🚀我们最原始的开发方式就是使用机器语言去编程，也就是在纸片上打孔来表示0和1，但是这样不够灵活，并且书写与阅读起来比较的困难，所以人们就创造了汇编语言来开发程序了。

汇编语言

🚀汇编语言就是用助记符和标号来表示的指令（与机器指令一一对应），它使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……，因为这样的话就不会增减指令而需要修改其他指令，并且不需记忆指令编码，编写方便，可读性比机器语言强。

指令：包含操作码和操作数或其地址码（机器指令用二进制表示，汇编指令用符号表示） 只能描述以下三个方面。

• 取（或存一个数） 。
• 两个数加（或减、乘、除、与、或等） 。
• 根据运算结果判断是否转移执行。

assume cs:codesg
codesg segmentmov ax,0123Hmov bx,0456Hadd ax,bxadd ax,axmov ax,4c00Hint 21h
codesg ends
end

🚀虽然方便了开发人员，但是这样机器就不认识我们的代码了，这下怎么办呢？所以我们就需要使用汇编程序去将汇编代码转换成机器语言。但是随着技术的发展，我们发现汇编语言还是太麻烦了，于是我们逐渐使用高级语言去开发。

高级语言

此处的高级语言为C语言，肯定有很多人觉得C语言不算高级语言，但是在面对汇编以及机器语言的时候，他还是能叫做“高级语言”。

🚀随着技术的发展，我们开始进入了高级语言的世界，它们与具体机器结构无关 ，直接面向算法描述，比机器级语言描述能力强得多。

并且有“面向过程”和“面向对象”的语言之分，还有两种转换方式：“编译”和“解释”。

• 编译程序(Complier)：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。

程序的转换处理

🚀接下来我们就以我们的hello.c程序来介绍一下程序的转换处理过程。

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

🚀首先，我们的代码都是通过ASCII码保存在文件里面的，之后通过cpp 的预处理，得到一个.i文件；再经过编译，获得我们的汇编语言程序，也就是以.s结尾的程序；再经过汇编程序去把汇编语言转变为.o的可重定位目标 程序 (二进制)；最后加上链接的printf.o文件，就能生成可执行目标程序 (二进制)。

程序的数据流动

🚀接下来我们来介绍一下在这个过程中，我们程序的数据是如何流动的。

1. shell命令行处理：将字符逐一读入寄存器，再把它放到内存中。
2. 可执行文件加载：利用DMA技术，数据直接从磁盘到达主存。
3. hello程序执行过程：一旦目标文件hello中的代码和数据被加载到主存，处理器就开始执行hello 程序的main程序中的机器语言指令。这些指令将“hello, world\n” 字符串中的字节从主存复制到寄存器文件，再从寄存器文件中复制到显示设备，最终显示在屏幕上。

支撑程序开发和运行的环境由系统软件提供，最重要的系统软件是操作系统和语言处理系统 语言处理系统运行在操作系统之上，操作系统利用指令管理硬件。

计算机系统层次结构

🚀接下来我们需要介绍的就是计算机系统层次结构。

早期计算机系统

1GL

🚀机器语言称为第一代程序设计语言（ First generation programming language ，1GL ）。

2GL

🚀汇编语言称为第二代程序设计语言（ Second generation programming language ，2GL ）

现代计算机系统

3GL

🚀第三代程序设计语言（3GL）为过程式 语言，编码时需要描述实现过程，即“ 如何做”。

4GL

🚀四代程序设计语言（4GL） 为非过程化语言，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。

指令集体系结构

ISA指Instruction Set Architecture，即指令集体系结构，有时简称为指令系统，它规定了如何使用硬件。

1. 可执行的指令的集合，包括指令格式、操作种类以及每种操作对应的操作数的相应规定；
2. 指令可以接受的操作数的类型；
3. 操作数所能存放的寄存器组的结构，包括每个寄存器的名称、编号、 长度和用途；
4. 操作数所能存放的存储空间的大小和编址方式；
5. 操作数在存储空间存放时按照大端还是小端方式存放；
6. 指令获取操作数的方式，即寻址方式；
7. 指令执行过程的控制方式，包括程序计数器（PC）、条件码定义等。

ISA是计算机组成的抽象。