前言

本次计算机组成原理学习主要分为两块

1、计算机组成原理学习(一)

主要对计算计结构和微处理器(CPU)功能原理进行学习

2、计算机组成原理学习(二)

主要对CPU，操作系统，汇编、编程语言之间的运行原理进行学习

通过计算机编程语言的基本数据类型设计的知识学习，如果你还想深度了解一下编程语言如何通过编译器在计算机中运行，那么请接着看下面的内容：

一、冯诺依曼结构

冯诺依曼结构

冯·诺依曼结构组成

运算器、控制器、存储器(一个)、输入设备和输出设备

冯·诺依曼结构体系结构上主要特点有：

1、以运算单元为中心

2、采用存储程序原理

3、存储器是按地址访问、线性编址的空间

4、控制流由指令流产生

5、指令由操作码和地址码组成

6、数据以二进制编码

冯·诺依曼结构提出后的贡献就是存储程序概念的提出，并且得到了实现，因为指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切关联，所以基于当时的电子电路结构水平，选择这种结构是必然的。

缺点就是这种指令和数据共享同一总线的结构，而且必须按照顺序执行，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。

完整执行一条指令结果流程如下：

冯诺依曼指令运行

目前大多数的计算机运行都遵守冯诺依曼结构。

二、哈佛结构

哈佛结构

哈佛结构组成

运算器、控制器、指令存储器(一个)、数据存储器(一个)、输入设备和输出设备

个人认为哈佛结构特点继承了冯诺依曼结构的特点。

哈佛结构是将程序指令存储和数据存储分开的处理器结构，两条总线数据宽度可以不一致。

完整执行一条指令结果流程如下：

哈佛指令运行

注意

1、一些51单片机，还有部分DSP芯片是哈佛结构模式，所以它们只能执行较少的任务。

2、随着科技的发展，目前的计算机基本上混用两种结构模式，多核心多处理器高级处理芯片大多外围采用冯诺依曼结构，局部采用哈佛结构.

3、哈佛结构与冯诺依曼最大的区别在于存储器分切割应用上，因为哈佛结构将存储器分为指令和数据两种，从而CPU与存储器之间有两条总线。

二、CPU

在上面中，我们已经简单的了解了CPU与存储器之间的通信，接下来我尽可能把自己的一些认知加进去，一起共同深度学习CPU的工作原理

1、CPU功能

现在市面上的CPU都有下图的四大功能

CPU功能

注意：

现在新的CPU都有多个核心以及多级内部复杂的缓存设计，这样的设计可以同时取到多条指令执行，从而体现并行处理的目的，即便是这样程序指令的顺序执行一直是一条严谨的规则。

2、CPU的组成

为了实现上面的功能，CPU一般有运算器，控制器，寄存器三大组成部分，其内部可以分的更细，如下图所示：

CPU的组成

他们之间的逻辑处理如下图所示：

CPU主要组成部分逻辑结构图

尽管我们熟悉了CPU的运作流程，但是必须要对以下几个概念要熟悉掌握

指令周期

1、指令周期：执行一条指令所需要的时间，一般由若干个[机器周期]组成，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。指令周期的长短与指令的复杂程度有关。

2、CPU周期：又称机器周期，机器内部各种操作大致可归属为对CPU内部的操作和对主存的操作两大类，由于CPU内部操作速度较快，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义，这个基准时间就是CPU周期(机器周期)。一指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。

3、时钟周期：也称为振荡周期，定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。时钟周期是一个时间的量。时钟周期表示了SDRAM所能运行的最高频率。更小的时钟周期就意味着更高的工作频率。一个CPU周期包含有若干个时钟周期。

时序产生器

CPU中一个类似"作息时间"的东西，使计算机可以准确、迅速、有条不紊地工作。机器一旦被启动，即CPU开始取指令并执行指令时，操作控制器就利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，提供计算机各部分工作时所需的各种微操作定时控制信号，有条理、有节奏地指挥机器的动作，规定在这个脉冲到来时做什么，在那个脉冲到来时又做什么，给计算机各部分提供工作所需的时间标志。

注意:

1、一条指令分为两部分：操作码+地址码。

2、执行一条指令的顺序是：CPU先把该指令从主存读取到数据寄存器中，然后再传送至指令寄存器。

3、执行任何给定的指令：首先必须对操作码进行测试，目的是识别所要求的操作，而指令译码器(Instruction Decoder，ID)就是完成这项工作的。

4、执行指令时：CPU能自动递增PC的内容，使其始终保持将要执行的下一条指令的主存地址，为取下一条指令做好准备。

5、一个CPU至少要有一个累加寄存器

6、这里的数据缓冲寄存器就是数据寄存器

7、微操作：控制器在实现一条指令的功能时，总是把每一条指令分解成一系列时间上先后有序的最基本、最简单、不可再分的操作控制动作，这种最基本、最简单、不可再分的操作称为微操作

8、数据通路：通常把许多寄存器之间传输信息的通路称为数据通路(Data Path)，它控制信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器。