计算机基本理论与程序运行原理概述

目录

计算机的基本表示方法

计算机的组成

程序运行的原理

指令执行的流水线

编译原理

个人理解

面试题总结

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计算机的基本表示方法

• 计算机系统使用高、低电平来表示逻辑1和0。
• 数据在计算机中的存储、传输和处理均以二进制形式进行。
• 数据通过总线作为电信号进行传输，内存仅存储高低电平。

计算机的组成

• 输入设备: 将外部信号转换为计算机可识别的电信号。
• 输出设备: 将计算机产生的电信号转换为人类或其他设备可理解的形式。
• 存储器: 用于存放程序和数据，是实现“存储程序控制”的基础。
  • ROM (Read-Only Memory): 例如 Flash (EMMC) 或磁盘空间，特点是掉电后数据不丢失。
  • RAM (Random Access Memory): 即内存，特点是易失性，掉电后数据丢失。

• 运算器: CPU 中处理信息和执行算术及逻辑运算的核心部件。

• 控制器: 整个计算机系统的指挥中心，负责协调各个部件的工作。

程序运行的原理

• 指令集: 运算器的不同决定了处理指令的不同，进而导致指令集的不同。
• 指令的解析:
  1. 取指: 控制器将 PC 寄存器中的值发送给内存，内存将对应地址中的指令（机器码）传回 CPU 的指令寄存器 IR 中。
  2. 译码: 指令译码器对 IR 中的指令进行识别，将指令翻译成具体的运算操作。
  3. 执行: 运算器执行对应的指令并将结果写入寄存器。

指令执行的流水线

• 指令的执行遵循流水线的方式，分为取指、译码和执行三个阶段。
• 每个阶段由独立的硬件组件负责，使得多个指令可以同时处于不同的处理阶段。
• PC 寄存器始终指向当前正在取指的指令地址，一旦取到指令，PC 自动后移以指向内存中的下一条指令。

编译原理

• CPU 识别的语言: CPU 仅能识别机器码，而能够识别哪些机器码取决于处理器的硬件结构。
• 汇编语言: 汇编语言使用标识符来表示机器码，不同的 CPU 结构有不同的汇编语言。
• C 语言编译: C 语言可以通过不同的编译器编译成不同的汇编语言和机器码，从而适应不同的处理器架构。

个人理解

• C 语言可以借助不同的编译器生成针对不同平台的代码，以适应不同的处理器架构。

面试题总结

1. 指令解析的过程:
   • 分为三个阶段：取指、译码和执行。
2. 为什么不同处理器需要不同的编译器编译程序代码？
   • CPU 仅能识别特定的机器码，这些机器码由处理器的硬件结构决定，因此不同的处理器架构需要使用相应的编译器来生成对应的机器码。