计算机系统层次结构笔记

计算机系统层次结构核心笔记

一、计算机硬件基本组成

计算机硬件系统由五大基本部件构成，它们协同工作完成数据处理和指令执行任务：

输入设备：将外部信息转换为计算机可识别的电信号（如键盘、鼠标）
输出设备：将计算机处理结果转换为人类可识别的形式（如显示器、打印机）
存储器：分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存），用于存储数据和指令
运算器：执行算术运算和逻辑运算
控制器：控制计算机各部件协调工作

核心概念 ：程序本身用高级语言编写，需经过编译转换为机器语言才能被计算机执行。机器语言由指令和数据两部分组成，它们在存储器中以二进制形式存储。

二、主存储器与CPU的交互

主存储器（内存）是CPU能直接访问的存储器，由存储体、地址寄存器（MAR）和数据寄存器（MDR）组成。

2.1 主存储器的组成

存储体：由大量存储单元组成，每个存储单元有唯一的地址
MAR（地址寄存器）：存放要访问的存储单元地址，其位数决定了可寻址的存储单元个数
MDR（数据寄存器）：存放从存储体读出或要写入存储体的数据，其位数等于存储字长

2.2 CPU与主存的数据传输过程

读数据过程（CPU从主存取数据）

复制代码

CPU → MAR（地址）→ 存储体 → MDR（数据）→ CPU

CPU将数据的地址发送到MAR地址寄存器
MAR根据地址从存储体中找到对应的存储单元
存储单元中的数据被取出并放置在MDR数据寄存器中
CPU从MDR数据寄存器中读取数据

写数据过程（CPU向主存存数据）

复制代码

CPU → MAR（地址）
CPU → MDR（数据）
CPU → 写信号 → 存储体

CPU将要写入数据的地址发送到MAR地址寄存器
CPU将要写入的数据发送到MDR数据寄存器
CPU向主存储器发送写入数据的控制信号
主存储器将MDR中的数据存入MAR指定的地址单元

2.3 主存容量计算

存储单元个数 = 2^MAR位数
存储字长 = MDR位数（单位：bit）
总容量 = 存储单元个数 × 存储字长（bit）= 存储单元个数 × 存储字长 / 8（Byte）

示例：

MAR=4位 → 2^4=16个存储单元
MDR=16位 → 每个存储单元可存放16bit（1个字）
总容量 = 16 × 16bit = 32Byte

易混淆概念：

1字节(Byte) = 8bit
1B = 1字节，1b = 1bit
1字(word)的长度由计算机架构决定，通常为16bit、32bit或64bit

三、运算器：算术与逻辑运算的核心

运算器是计算机中执行算术运算和逻辑运算的部件，主要由以下寄存器和功能单元组成：

寄存器/单元	功能
ACC（累加器）	存放操作数或运算结果
MQ（乘商寄存器）	乘除运算时存放操作数或运算结果
X（通用操作数寄存器）	存放操作数
ALU（算术逻辑单元）	通过内部电路实现算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）

运算器寄存器在不同运算中的作用

运算类型	ACC	MQ	X
加法	被加数、和	-	加数
减法	被减数、差	-	减数
乘法	乘积高位	乘数、乘积低位	被乘数
除法	被除数、余数	商	除数

四、控制器：计算机的指挥中心

控制器负责控制计算机各部件协调工作，是计算机的"大脑"，主要由以下部件组成：

部件	功能
CU（控制单元）	分析指令，产生控制信号，控制其他部件工作
IR（指令寄存器）	存放当前正在执行的指令，对用户透明
PC（程序计数器）	存放下一条要执行的指令地址，具有自动加1功能

透明概念：在计算机中，"透明"指某个部件或功能存在并正常工作，但用户不需要了解其内部实现细节。例如，我们不需要知道指令寄存器如何存储指令，只需知道它能完成指令存储的功能。

五、计算机的完整工作过程

计算机的工作过程本质上是不断取指令、分析指令和执行指令的循环过程。

5.1 指令与数据的存储

指令和数据都以二进制形式存储在主存储器中，CPU通过指令周期的不同阶段来区分它们：

取指阶段：从主存中取出的是指令
执行阶段：从主存中取出的是数据

5.2 工作过程示例（计算y=a*b+c）

假设主存中存储了以下指令和数据：

地址	内容	含义
0	000001 0000000101	取数a至ACC
1	000100 0000000110	乘b得ab，存于ACC中
2	000011 0000000111	加c得ab+c，存于ACC中
3	000010 0000001000	将ab+c存于主存单元
4	000110 0000000000	停机
5	0000000000000010	原始数据a=2
6	0000000000000011	原始数据b=3
7	0000000000000001	原始数据c=1
8	0000000000000000	原始数据y=0

执行步骤：

取指阶段：PC=0，从主存地址0取出指令"取数a至ACC"，存入IR，PC自动加1变为1
执行阶段：根据指令地址码0000000101（十进制5），从主存地址5取出数据2，存入ACC
取指阶段：PC=1，从主存地址1取出指令"乘b得ab"，存入IR，PC自动加1变为2
执行阶段：根据指令地址码0000000110（十进制6），从主存地址6取出数据3，与ACC中的2相乘，结果6存入ACC
取指阶段：PC=2，从主存地址2取出指令"加c得ab+c"，存入IR，PC自动加1变为3
执行阶段：根据指令地址码0000000111（十进制7），从主存地址7取出数据1，与ACC中的6相加，结果7存入ACC
取指阶段：PC=3，从主存地址3取出指令"将结果存于主存"，存入IR，PC自动加1变为4
执行阶段：根据指令地址码0000001000（十进制8），将ACC中的7存入主存地址8
取指阶段：PC=4，从主存地址4取出指令"停机"，存入IR
执行阶段：执行停机指令，计算机停止工作

最终，主存地址8中的数据变为7，即y=7。

六、栈帧与函数调用机制

栈是一种"后进先出"（LIFO）的数据结构，在计算机中用于实现函数调用和局部变量存储。

6.1 栈的基本操作

x86架构中，栈默认以4字节为单位进行操作，主要使用两条指令：

push：先将esp（栈指针）减4，再将src中的数据压入栈顶
pop：将栈顶元素弹出写入dest，再将esp加4

注：src可以是立即数、寄存器或主存地址；dest可以是寄存器或主存地址。

6.2 栈帧结构

栈帧是为每个函数调用分配的栈空间，用于存储函数的参数、局部变量、返回地址等信息。

复制代码

高地址
+-----------------+
|                 |
|   其他数据      |
|                 |
+-----------------+
|   main栈帧      |
|                 |
+-----------------+
|   caller栈帧    |
|                 |
+-----------------+
|   add栈帧       |
|                 |
+-----------------+ <-- esp（栈顶）
低地址

ebp（基址指针）：指向当前栈帧的底部
esp（栈指针）：指向当前栈帧的顶部

6.3 函数调用时的栈帧切换

函数调用主要通过call、enter、leave和ret指令实现。

call指令的作用

将下一条指令的地址（返回地址）压入栈中保存
无条件跳转到被调用函数的第一条指令

被调用函数的栈帧初始化（enter指令等价于）

asm 复制代码

push ebp        ; 保存上一层函数的栈帧基址
mov ebp, esp    ; 设置当前函数的栈帧基址
sub esp, n      ; 为局部变量分配n字节的栈空间

函数返回过程（leave指令等价于）

asm 复制代码

mov esp, ebp    ; 释放当前函数的局部变量空间
pop ebp         ; 恢复上一层函数的栈帧基址
ret             ; 从栈中弹出返回地址，跳转到该地址继续执行

6.4 函数调用完整示例

复制代码

caller函数调用add函数的过程：

1. caller执行call add指令
   - 将返回地址（call指令的下一条指令地址）压入栈
   - 跳转到add函数的入口

2. add函数执行
   - push ebp        ; 保存caller的ebp
   - mov ebp, esp    ; 设置add的栈帧基址
   - sub esp, 24     ; 为add的局部变量分配24字节空间
   - ... 执行函数体 ...
   - leave           ; 释放add的栈空间，恢复caller的ebp
   - ret             ; 弹出返回地址，跳转到caller继续执行

七、总结

计算机系统层次结构是理解计算机工作原理的基础。从硬件层面看，计算机由输入输出设备、存储器、运算器和控制器组成；从软件层面看，高级语言需要经过编译转换为机器语言才能被计算机执行。

CPU与主存的交互是计算机工作的核心，通过MAR和MDR实现地址和数据的传输。运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责控制各部件协调工作。计算机的工作过程本质上是取指-执行的循环过程。

栈帧机制是实现函数调用的关键，通过ebp和esp两个指针管理栈空间，call和ret指令实现函数的调用和返回。理解这些概念对于深入学习计算机组成原理和汇编语言至关重要。