计算机组成原理(二)——计算机的基本组成

计算机的基本组成

冯·诺依曼计算机结构图

　　冯·诺依曼计算机以运算器为中心。

冯·诺依曼计算机特点

　　1.计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。

　　2.指令和数据以同等地位存放在存储器中，并可按地址寻访。

　　3.指令和数据均用二进制数表示。

　　4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的地址。

　　5.指令在存储器中按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据特定的条件改变执行顺序。

　　6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传输通过运算器完成。

存储程序概念

　　冯·诺依曼模型要求程序必须存储在内存中，现代计算机的存储单元用来存储程序及其响应数据，这就意味着数据和程序应该具有相同的格式，这是因为它们都存储在存储器中。

　　实际上它们都是以二进制形式存储在内存中的。

现代计算机结构图

　　现代计算机已在冯·诺依曼体系结构的基础上转化为以存储器为中心。

　　各部件的功能

　　　　计算机的5大部件在控制器的指挥下，有条不紊的完成各项任务。

　　　　　　1. 运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器中。

　　　　　　2.存储器用来存放数据和程序。

　　　　　　3.控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。

　　　　　　4.输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式。

　　　　　　5.输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式。

　　现代计算机已将运算器和控制器集成为CPU

　　　　由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系紧密，在大规模集成电路技术成熟后，将运算器和控制器集成在同一个芯片上，合称为中央处理器(CPU, Central Processing Unit)。

　　　　此外，CPU中还有一些寄存器组。即CPU由运算器、控制器、寄存器组构成。

现代计算机硬件简化组成框图

　　　　由于运算器和控制器被集成为CPU，所以可认为现代计算机由三大部分组成：CPU、I/O设备(Input/Output Equipment)、主存储器(MM, Main Memory)。

　　　　算术逻辑单元 (ALU, Arithmetic Logic Unit) 用来完成算术运算和逻辑运算。

　　　　控制单元(CU, Control Unit)用来解释存储器中的指令，并发出各种操作指令来执行指令。

存储器的基本组成

　　　　这里讨论的是主存，即内存。

　　　　主存储器包括存储体、MAR、MDR、各种逻辑部件及控制电路。

　　存储器内部结构说明

　　　　一个主存储器(内存条)由多个存储体组成，一个存储体中有许多存储单元，一个存储单元中有若干个（8、16、32个等）存储元件；

　　　　每个存储元件能存储一个二进制数 “0” 或 “1”；

　　存储字存储字长

- 存储字：一个存储单元存储的二进制代码；
- 存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的位数；存储字长可以是8位、16位、32位等。

　　　　　　一个存储字可以表示一个二进制数、十进制数、十六进制数、一串字符、ASCII码、一条指令等。

　　　　　　如：存储字0011011001111101，表示16位的二进制数，表示十进制数13949，表示十六进制数367DH，表示两个ASCII码“6”和“}”，表示某条指令。

　　　　　　指令与数据保存在存储器中；

　　按地址寻访

- 按地址寻访：赋予每个存储单元一个地址号，按存储单元的地址号实现对存储字的存(写入)、取(读出)。

　　　　　　　　如，将编写好的程序的各条指令预先存入各存储单元，当运行程序时，只要给出程序首条指令在主存中的首地址，然后采用程序计数器加1的方法，自动形成下一条指令所在存储单元的地址，机器便可自动完成整个程序的运行。

　　　　　　　　又如，当需要重复使用某个数据或某条指令时，只要指出其相应的存储单元地址号即可，不必占用更多的存储单元重复存放同一数据或同一指令，从而提高存储空间利用率。

　　两个寄存器

　　　　MAR(Memory Address Register), 存储器地址寄存器。

- 作用：存放存储单元的地址(编号)。
- MAR 的位数与存储单元的个数对应。如，若存储单元有1024=2¹⁰个，则MAR有10位。
- MAR 反映存储单元的个数。

　　　　MDR(Memory Data Register),存储器数据寄存器。

作用：存放准备存入存储单元的数据，或存放从存储单元中取出准备送往 CPU 的数据。
MDR 的位数等于存储字长。
MDR 反映存储字长，及单个存储单元的长度。

运算器的基本组成

　　　　运算器功能：执行各种算术运算和逻辑运算操作的部件。　　

　　　　运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算；与、或、非、异或等逻辑运算；以及移位、比较和传送等操作。

	累加器 ACC (Accumulator)	MQ (Multiplier-Quotient Register) 乘商寄存器	X 操作数寄存器
加法	被加数	——	加数
	和
减法	被减数	——	减数
	差
乘法	乘积高位	乘数	被乘数
		乘积低位

控制器的基本组成

　　　　控制器的功能：解释指令，保证指令的按序执行。

　　PC：程序计数器 (Program Counter)。

　　IR：指令寄存器 (Instruction Register)。

　　完成一条指令过程中控制器发挥的作用：

　　1.取指令：命令存储器读出一条指令。

　　　　动作部件：程序计数器PC。

　　　　存放当前将要执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1→PC，即可形成下一条指令地址。PC与主存的存储器地址寄存器MAR之间有一条直接通路。

　　　　PC→MAR→M→MDR→IR

　　　　动作部件：指令寄存器IR。

　　　　存放当前将要执行的指令；将IR中指令的操作码送至CU，用来分析；将IR中指令的地址码送至存储器的MAR，作为操作数的地址。

　　　　OP(IR):IR中指令的操作码。OP(IR)→CU

　　　　AD(IR):IR中的指令地址码。AD(IR)→MAR

　　2.分析(解释)指令：分析该指令要完成那些操作，明确操作数的地址。

　　　　动作部件：控制单元CU。

　　　　分析当前指令所需要完成的操作。

　　3.执行指令：根据操作数所在的地址和指令的操作码完成某种操作。