1.2.2 计算机硬件的基本组成（冯·诺依曼、现代计算机组织结构、计算机功能部件：输入、输出、存储器、运算器、控制器设备）

文章目录

1.早期的冯·诺依曼机
- 典型的冯·诺依曼机结构
2.现代计算机的组织结构
3.计算机的功能部件
- （1）输入设备
- （2）输出设备
- （3）存储器
- - 主要功能
  - 两个分类
  - 主存储器组成
  - 主存储器的工作方式
  - 主存储器最基本组成
- （4）运算器
- - 功能
  - 组成
- （5）控制器
- - 功能
  - 组成
  - 冯·诺依曼结构的模型机

1.早期的冯·诺依曼机

美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最先提出“程序存储”的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。由于他对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为“现代计算机之父”。
“程序存储”：指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

(1) 冯·诺依曼机的特点：

典型的冯·诺依曼机结构

2.现代计算机的组织结构

在微处理器问世之前，运算器与控制器分离。而且存储器容量小，因此设计成以运算器为中心的结构，其他部件都通过运算器完成信息的传递，如上图所示。
随着微电子技术的进步，同时计算机需要处理的信息也越来越多，大量I/O设备的速度和CPU的速度差距悬殊，因此需要更新换代计算机的组织结构以适应新的需求。计算机发展为了以存储器为中心，使I/O设备尽可能的绕过CPU，直接在I/O设备与存储器之间完成操作，以提高整体效率。其结构如下图所示：

3.计算机的功能部件

计算机的五大功能部件：输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器

（1）输入设备

（2）输出设备

（3）存储器

主要功能

存放程序和数据

两个分类

主存储器组成

每个存储元件存储一位二进制代码0/1
存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字,称这串代码的位数为存储字长，比如我图中所画每个存储单元存储8位的二进制数，存储字长为8。
存储字长可以是1B或是字节的偶数倍，1（字节，B，byte）=8bit

主存储器的工作方式

按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式（相联存储器按内容访问）

主存储器最基本组成

华中科技大学MOOC图：
存储体：存放二进制信息
地址寄存器（MAR-Memory Address Register）:存放访存地址，经过地址译码后找到所选的逻辑单元
数据寄存器（MDR-Memory Data Register）:暂存要从存储器中读或写的信息
时序控制逻辑：用于产生存储器操作所需的各种时序信号
地址寄存器（MAR-Memory Address Register）用于寻址，其位数对应着存储单元的个数，如MAR为10位，则有2^10^=1024个存储单元，记为1K。MAR的长度与PC（程序计数器）长度相等。
MDR位数=存储字长，一般为字节(B)的二次幂的整数倍
MAR和MDR虽然是存储器的一部分，但在现代CPU中却是存在于CPU中的；另外高速缓存（Cache）也存在于CPU中
主存储器逻辑图：

（4）运算器

功能

组成

（5）控制器

功能

控制器是计算机的指挥中心，它指挥着各部件自动协调地进行工作。

组成

冯·诺依曼结构的模型机

一般将运算器和控制器集成到一个芯片上，称为中央处理器（CPU）
CPU和主存储器共同构成主机
除主机外的其它硬件装置（外存、I/O设备等）统称为外部设备，简称外设

图中从控制器送出的虚线是控制信号↓↓↓↓↓↓
可以控制如何修改PC以得到下一条指令的地址
可以控制ALU执行什么运算
可以控制主存进行读/写操作
CPU与主存之间通过一组总线相连
总线中有地址、数据、控制三组信号线
MAR中的地址信息会直接送到地址线上，用于指向读/写操作的主存存储单元
控制线中有读/写信号线，指出数据是从CPU写入主存还是从主存读出到CPU
根据读操作还是写操作来控制将MDR中的数据是直接送到数据线上还是将数据线上的数据接收到MDR中

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