文章目录

一：计算机层次结构
- （1）早期的冯诺依曼机
- （2）现代计算机的组织结构
二：计算机硬件概述
- （1）存储器
- - A：存储元、存储单元、存储体、存储字和存储字长
  - B：存储器的基本结构
- （2）运算器
- - A：运算器基本结构
  - B：运算器过程伪代码描述
- （3）控制器
- - A：指令
  - B：控制器基本结构
  - C：控制器过程伪代码描述
精华：计算机的工作过程

一：计算机层次结构

（1）早期的冯诺依曼机

冯诺依曼机特点如下

计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备5部分组成
指令和数据以同等地位存储在存储器，并可按地址寻访
指令由操作码和地址码组成，操作码用于表示操作的性质，地址码用于表示操作数在存储器的位置
指令在存储器内按顺序存放。通常指令是按照顺序存放的，但是在特定条件下可以进行设定
早期的冯诺依曼机器以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据

其中，实线是数据线，虚线是控制线（双向）。在这种层次结构下，在控制器的指挥下，输入和输出设备输入一些数据给运算器进行各种运算，如果产生中间结果，就会给存储器，计算完成结果给到输出设备。可以发现这种层次结构容易受到输入和输出设备的牵制，因为他们的速度相较于运算器太慢了，也即是短板效应

（2）现代计算机的组织结构

为了解决I/O设备的速度和CPU速度差异悬殊的问题，现如今的计算机则采用以存储器为中心的计算机组织结构

这种结果使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率

二：计算机硬件概述

（1）存储器

A：存储元、存储单元、存储体、存储字和存储字长

目前我们采用半导体器件来承担存储任务，一个半导体触发器由于有0和1两个状态，就可以记忆一个二进制代码。比如1个数需要用16位二进制代码表示，那么就需要有16个触发器来保存这些代码，这16个触发器就是一个存储单元。

串讲：主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含多个存储元，每个存储元存储1位二进制代码0或1，故存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，而这串代码的位数称为存储字长，存储字长一般是一个字节（8位）或字节的偶数倍。同时许多存储单元共同构成了一个存储体。

B：存储器的基本结构

存储器分为主存（内存）和辅存（外存）。CPU可以直接访问的是主存，主存主要存放的是程序和数据，是计算机实现“存储程序”控制的基础；外存中信息必须加载进主存后，CPU才可以访问

主存最基本构成如下：存储体存放二进制信息，MAR存放的是访存地址（经过地址译码后找到所选存储单元）；MBR存储的是要从存储器中读入或写入的信息。

【考点】

数据在存储体中是按照地址存储的，每个地址对应一个存储单元；
存储单元数目=2MAR位数2^{MAR位数}2MAR位数，例如如果MAR为10位，则存储单元数目为210=10242^{10}=1024210=1024。它用于寻址，其长度和PC长度一致
MDR的位数表示存储字长，例如MDR为16，表示存储字长为16，也表示1个字(word)=16bit
注意区分字（word）和字节（Byte），1个字节等于8个bit，而1个字的大小取决于机器
1B=1个字节，1b=1个bit

（2）运算器

运算器是计算机的执行部件，用于进行算数运算和逻辑运算

算数运算：比如加减乘除
逻辑运算：比如与、或、非、异或、比较等等

A：运算器基本结构

其中ALU是运算器造价最为高昂的部分，其实就是一堆复杂的电路

其余三个分别是寄存器，辅助ALU完成计算功能，作用如下了解即可

B：运算器过程伪代码描述

设M为主存中的某一个存储单元，(M)表示取M中的数据，->表示将内容送入寄存器

加法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入操作数寄存器X，即(M)->X；然后两者相加重新送入寄存器ACC中，即(ACC)+(M)->(ACC)

乘法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入乘商寄存器MQ作为乘数，即(M)->MQ，再取ACC寄存器的内容放入X寄存器作为被乘数，即ACC->X，接着将ACC清零，即0->ACC，然后乘数乘以被乘数，一个送入乘积高位，一个送入乘积低位，即(X)×(MQ)->ACC//MQ

除法实现：假设ACC中已经存在一个数，首先取M的内容送入X作为除数，即(M)->X，ACC中的内容作为被除数，结果一个放入MQ作为整数部分，即(ACC)/(X)->MQ，另一个放入ACC作为余数，即(ACC)%(X)->ACC

（3）控制器

控制器是计算机的指挥中心，由其指挥各部件自动协调地进行工作

A：指令

计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序本质就是一系列按照一定顺序排列的指令
控制器靠指令指挥机器工作，人们用指令表达自己的意图，并交给控制器执行

指令=操作码+地址码

操作码就是指示计算机要干什么，地址码可以理解为干这些事情需要的原材料在哪里，比如主存中就有可能存储一些我们需要用到的数据，甚至可以是一些IO设备，比如键盘的地址

B：控制器基本结构

控制器基本结构如下

控制单元（CU）：分析指令、发出信号、协调操作
指令寄存器（IR）：存放当前要执行的指令，注意内容来源于MDR，因为指令和数据一样也被存在存储器
程序计数器（PC）：存放当前要执行的指令地址， 与MAR直接连通，并且可以自动+1

C：控制器过程伪代码描述

完成一条指令的过程为：取指令（PC）->分析指令（IR）->执行指令（CU）

具体过程：首先取出指令，即(IR)，接着获取指令的操作码，即OP(IR)，然后获取指令的地址码，即AD(IR)，然后将操作码送入控制单元分析，即OP(IR)->CU，操作码表示需要干什么，但是干活需要原材料，所以再把指令的地址码送入MAR，AD(IR)->MAR,从MAR指示的存储体取出原材料即可。

结合前面的加法，我们可以写出完整的加法运算的过程的：首要取加法指令，而指令存储在存储体中，想要取出指令必须要知道的指令的地址，而这个地址就存放在PC中，PC又和MAR直接相连，即(PC)->MAR，于是指令此时被放入了MDR中，那么接着将指令放入IR中，即(MDR)->IR,接着取指令的操作码送入控制单元，即OP(IR)->CU，然后再把原材料（就是一些操作数）的地址码送入MAR，即AD(IR)->MAR。接着就可以进行加法操作了，由于上一步已经将操作数的地址码送入了MDR中，所以现在送入操作数寄存器，即(MDR)->X，然后(ACC)+(X)->ACC，最后PC要自增，即(PC)+1->PC，表示下一条指令

精华：计算机的工作过程

学习到这里，我们就可以从硬件到角度分析一下，看似简单的C语言代码，在背后计算机究竟做了多少事情
以下程序非常简单，声明了4个变量并赋值，然后在main函数内进行运算

int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main()
{y=a*b+c;
}

经过编译器编译后，这段程序在主存中就是这样的

下半部分是定义的变量，上半部分则是对应于高级语言对应的机器指令

为了方便演示，我们将控制器、运算器和存储体也放在旁边

第一组
1：程序开始运行，PC的值为0，保存的是第一条指令的地址。然后将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=0。也就是说控制器向存储器指明，我接下来要访问主存0号地址处的数据，同时告诉存储器进行读操作

2+3：主存储器会根据MAR记录的地址信息，到存储体中找出0号地址对应的二进制数据，并将其放入到MDR中，此时MDR中存放了第一条指令。即M(MAR)->MDR，此时MDR=000001 0000000101

4：接着将MDR中的指令放入IR中，于是控制器就存放了当前要执行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000001 0000000101

5：这条指令的前6个比特位是地址码，会被送入到控制单元CU中，CU分析后，得知这是一条取数命令。即OP(IR)->CU

6：取数指令会将变量a的内容放入寄存器ACC中。但是现在变量a不知道在哪里，所以现在会把指令的地址码送到MAR当中，即(MAR)=5

7+8：接着主存储器根据MAR指明的地址，也就是a的地址（5），去存储体中找出5号地址的数据，并将其放入MDR当中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000010，也即(MDR)=2

9：接着在控制单元的指挥下，MDR中的数据就被放入到了ACC中。至此第一条指令完成

10：最后PC自增1，进行下一条指令，即(PC)=1

接下来进行下一组操作

1：程序接着运行，PC的值为1，保存的是第二条指令的地址。然后将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=1。也就是说控制器向存储器指明，我接下来要访问主存1号地址处的数据，同时告诉存储器进行读操作

2+3：主存储器会根据MAR记录的地址信息，到存储体中找出1号地址对应的二进制数据，并将其放入到MDR中，此时MDR中存放了第二条指令。即M(MAR)->MDR，此时MDR=000100 0000000110

4：接着将MDR中的指令放入IR中，于是控制器就存放了当前要执行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000100 0000000110

5：这条指令的前6个比特位是地址码，会被送入到控制单元CU中，CU分析后，得知这是一条乘法命令。即OP(IR)->CU

6：接着把指令的地址码送到MAR当中，即(MAR)=6

7+8：接着主存储器根据MAR指明的地址，也就是b的地址（6），去存储体中找出6号地址的数据，并将其放入MDR当中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000011，也即(MDR)=3

9：由于是乘法，所以控制单元将MDR中的内容送入到乘商寄存器MQ中，即(MDR)->MQ，此时(MQ)=0000000000000011=3

10：先把a的值放入通用寄存器X中，即(ACC)->X,(X)=2

11：CU告诉ALU，让其进行乘法运算。即(MQ)×(X)->ACC,(ACC)=6。注意如果乘积过大，需要MQ辅助存储，也就是最上面讲到过的(X)×(MQ)->ACC//MQ

接着进行下一组操作，具体过程就不详细演示了，步骤如下

1:PC存储2号指令的地址，(PC)->MAR,(MAR)=2
2+3:M(MAR)->MDR,(MDR)=000011 0000000111
4:(MDR)->IR，(IR)=000011 0000000111
5:OP(IR)->CU,CU分析操作码，得知这是加法执行
6:Ad(IR)->MAR，将指令的地址码送入MAR,(MAR)=7
7+8:M(MAR)->MDR，(MDR)=00000000 00000001=1
9:(MDR)->x,(X)= 00000000 00000001=1
10:(ACC)+(X)->ACC,(ACC)->7，由ALU实现加法运算

接着进行下一组操作

1:(PC)->MAR,(MAR)=3
2+3:M(MAR)->MDR,MDR=000010 0000001000
4:(MDR)->IR,(IR)000010 0000001000
**5:**OP(IR)->CU,CU分析得知，这是存数指令
6:AD(IR)->MAR,(MAR)=8
7+8:(ACC)->MDR,MDR=7
9:(MDR)->地址为8的存储单元，导致y=7

最后再读取到停机指令时，计算机通过中断机制就结束了程序的运行

(计算机组成原理)第一章计算机系统概述-第二节：计算机硬件组成(存储器、运算器和控制器概述及计算机工作过程详解)相关推荐

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