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计算机系统 I ;计算机系统的抽象层次;抽象层次：电路级?部件级 冯?诺伊曼最早将二进制引入计算机应用，并定义了计算机的五大组成部件，即冯?诺伊曼模型：计算机处理和程序执行的基础模型 冯·诺依曼机的特征 ⑴计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成； ⑵计算机中采用二进制来表示指令和数据； ⑶采用存储程序方式，计算机能自动逐条取出指令并执行程序。 ;冯.诺伊曼模型;基于门电路和锁存器2k x m的位存储阵列。寻址空间：2k ，寻址能力：m bit1GB内存 ： 230 x8 bit 内存地址：访问需要的数据每个内存单元有唯一的地址（2k个）每个单元存储m 位个数据 内存的基本操作 LOAD read a value from a memory location STORE write a value to a memory location;运算部件通过两个专用寄存器来访问（读写）内存的数据 内存地址寄存器MAR(Memory Address Register) 内存数据寄存器MDR(Memory Data Register) 读内存某个单元（ LOAD 操作） 1）写内存单元地址(A)到MAR中. 2）发 “read”信号给内存. 内存将MAR中地址对应的数据送到MDR中准备好。 3）运算器从MDR中读取数据(X)。 写内存某个单元（STORE 操作） 1）将数据 (X) 写入 MDR. 2）将地址 (A) 写入 MAR. 3）发 “write”信号给内存;功能单元(Functional Units)ALU = Arithmetic and Logic Unit,算术逻辑运算单元 对操作数进行算术和逻辑运算。(常规：+，-，and, or, not 或者特殊的：multiply, divide, square root, …) LC-3 performs only ADD, AND, NOT 寄存器（临时存储单元） 用于存放操作数、运算中间结果的小容量的临时存储单元 LC-3 有8个16位(R0, …, R7)的寄存器 字长 运算器支持的操作数的最大宽度/寄存器的宽度 LC-3 是16位的;输入设备：提供数据给内存输出设备：负责从内存转换数据给用户 每个输入输出设备具有自己的访问接口，一般是一组专用寄存器。类似内存接口的MDR/MAR寄存器。 LC-3 支持： 键盘输入keyboard (input) 和 显示输出monitor (output) keyboard: 两个寄存器 data register (KBDR) / status register (KBSR) monitor: 两个寄存器 data register (DDR) /status register (DSR) 设备可同时支持输出和输入功能 disk, network 控制设备访问的程序通常称为设备驱动程序（driver）.;协同其他所有单元之间的工作。 两个重要的寄存器： 指令寄存器：Instruction Register (IR) 存放当前执行指令的内容。 程序寄存器：Program Counter (PC) 存放下一条要执行指令的地址 自加: 当指令顺序执行时，由PC+1产生下一条指令的地址； 可改写:当遇到转移指令时，转移地址?PC作为下一条指令的地址。 控制器的功能就是控制指令的执行过程;LC-3体系结构;内存：包括存储单元，以及16位的MAR和16位的MDR寄存器。216x16bit 处理单元: 包括ALU和8个16位的寄存器(R0-R7)。 控制单元：PC, IR寄存器, 和控制逻辑有限状态机FSM 输入和输出单元：键盘和显示器。 部件的连接: 总线 ,同一时间只允许一个主设备使用;冯?诺伊曼模型的核心思想：程序和数据都是以bit流的方式存放在计算机内存中，程序在控制单元的控制下，依次完成指令的读取和执行。;指令是由硬件电路直接完成的计算机执行的最小单位。 指令由两部分组成: 操作码 opcode: 指示指令具体做什么操作 操作数 operands: 指示操作的对象，一般存放操作数的地址（寄存器和内存地址），也可以在指令中直接存放较小的操作数。 指令实质是一串二进制代码 指令的助记形式: ADD R1,R2,R3 ADD R1,R2,1 和数据信息一样，指令信息也必需用二进制编码。 简单的计算机系统里面指令一般具有固定的二进制编码长度比如说16 或者 32 位（指令字长）. 控制单元负责具体解释每条指令并产生控制信号协调其它部件来完成指令执行。 指令的执行具有原子性 一个计算机系统的所有指令和格式称为指令集。Instruction S