408 计算机组成原理

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计算机系统层次结构 ​

考情分析 ​

本章是组成原理的总纲，选择题常考冯·诺依曼机的特点、各类翻译程序的区别、ISA 的概念。2019 年考了冯·诺依曼机特点，2022 年考了源程序到可执行文件的四阶段，2024 年考了编程语言的分类。

冯·诺依曼体系结构 ​

冯·诺依曼在研究 EDVAC 机时提出"存储程序"思想，奠定了现代计算机的基本结构。

冯·诺依曼机的核心特点：

  1. 存储程序工作方式：程序和数据预先存入主存，计算机启动后自动逐条取指并执行，无须人工干预
  2. 硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成
  3. 指令和数据以相同形式（二进制）存放在存储器中，仅凭内容无法区分
  4. 指令由操作码（指明操作类型）和地址码（指出操作数地址）组成

计算机硬件的基本组成 ​

现代计算机将运算器、控制器集成为 CPU（中央处理器）。完整硬件系统包括：

部件功能
CPU数据通路（ALU + 寄存器组）负责运算；控制单元负责取指译码、生成控制信号
存储器主存（DRAM）存放当前程序和数据；外存（磁盘/SSD）长期保存
I/O 设备输入设备（键盘、鼠标）和输出设备（显示器、打印机）
I/O 接口设备控制器，负责外设与主机之间的通信
总线CPU、主存、I/O 接口之间传输信息的公共通路

计算机软件 ​

系统软件 vs 应用软件 ​

类别定义举例
系统软件管理系统资源、提供基础服务的软件操作系统、编译器、DBMS
应用软件用户为解决特定问题开发的程序Office、浏览器、游戏

软硬件逻辑功能等价性 ​

同一功能既可用硬件实现，也可用软件实现，从用户视角看逻辑功能等价。例如浮点运算既可由硬件浮点单元完成，也可由软件子程序模拟，但硬件实现效率远高于软件。

如何划分软硬件的功能边界，是计算机体系结构研究的核心问题之一。

计算机系统的层次结构 ​

应用程序（最终用户）
    ↓
高级语言（应用程序员）
    ↓
操作系统（系统管理员）
    ↓
ISA — 指令集体系结构（系统程序员）
    ↓
微体系结构（微架构）
    ↓
物理器件（晶体管、电路）

每一层向上提供简洁接口，向下依赖更底层的功能。下层的实现细节对上层用户透明。

ISA（指令集体系结构） ​

ISA 是软硬件之间的关键接口，定义了软件可直接使用的硬件功能：

  • 指令格式、操作类型、寻址方式
  • 可访问的寄存器等硬件资源

ISA 定义"做什么"，微体系结构（微架构）决定"怎么做"。相同的 ISA 可以有多种不同的微架构实现——如 Intel 的 Skylake 和 Alder Lake 都遵循 x86 ISA，但内部组织方式不同。

编程语言与翻译程序 ​

三种编程语言 ​

语言层次特点硬件能否直接执行
机器语言0/1 二进制编码，与硬件直接对应能
汇编语言用助记符（mov, add）代替二进制指令不能，需汇编器翻译
高级语言C/Java 等，接近自然语言不能，需编译器/解释器翻译

三种翻译程序 ​

翻译程序输入输出特点
汇编程序（汇编器）汇编语言机器语言一对一翻译
编译程序（编译器）高级语言汇编/机器语言一次性翻译全部，生成目标程序
解释程序（解释器）高级语言—逐条翻译并立即执行，不生成目标程序

存储程序工作方式 ​

程序执行前，将指令和数据预先加载到主存。启动后，CPU 按以下流程自动执行：

取指（PC提供地址）→译码→取操作数→执行→写回结果

PC（程序计数器）的更新规则：

  • 顺序指令：PC←PC+指令长度
  • 跳转指令：PC←目标地址

从源程序到可执行文件 ​

以 C 语言为例，GCC 编译器经过四个阶段生成可执行文件：

hello.c → [预处理器cpp] → hello.i → [编译器cc1] → hello.s → [汇编器as] → hello.o → [链接器ld] → hello
阶段工具输入 → 输出功能
预处理cpp.c → .i处理 #include、#define 等预处理指令
编译cc1.i → .s翻译为汇编语言
汇编as.s → .o翻译为机器语言，生成可重定位目标文件
链接ld.o → 可执行文件解析外部符号引用，链接库函数，生成可执行文件

考点清单 ​

  • 冯·诺依曼机五大特点：存储程序、五大部件、指令和数据同形式存放、二进制编码、指令 = 操作码 + 地址码
  • 硬件能直接执行的只有机器语言
  • 编译器一次翻译全部生成目标程序；解释器逐条翻译不生成目标程序
  • ISA 是软硬件接口；微架构是 ISA 的硬件实现方式
  • 源程序到可执行文件：预处理 → 编译 → 汇编 → 链接
  • 下层实现对上层用户"透明"

真题练习 ​