計算機組成原理(二)——計算機的基本組成

計算機的基本組成

馮·諾依曼計算機結構圖

　　馮·諾依曼計算機以運算器爲中心。

 

馮·諾依曼計算機特色

　　1.計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部件組成。

　　2.指令和數據以同等地位存放在存儲器中，並可按地址尋訪。

　　3.指令和數據均用二進制數表示。

　　4.指令由操做碼和地址碼組成，操做碼用來表示操做的性質，地址碼用來表示操做數在存儲器中的地址。

　　5.指令在存儲器中按順序存放。一般，指令是順序執行的，在特定條件下，可根據運算結果或根據特定的條件改變執行順序。

　　6.機器以運算器爲中心，輸入輸出設備與存儲器之間的數據傳輸經過運算器完成。

存儲程序概念

　　馮·諾依曼模型要求程序必須存儲在內存中，現代計算機的存儲單元用來存儲程序及其響應數據，這就意味着數據和程序應該具備相同的格式，這是由於它們都存儲在存儲器中。

　　實際上它們都是以二進制形式存儲在內存中的。

 

現代計算機結構圖

　　現代計算機已在馮·諾依曼體系結構的基礎上轉化爲以存儲器爲中心。

　　各部件的功能

　　　　計算機的5大部件在控制器的指揮下，有條不紊的完成各項任務。

　　　　　　1. 運算器用來完成算術運算和邏輯運算，並將運算的中間結果暫存在運算器中。

　　　　　　2.存儲器用來存放數據和程序。

　　　　　　3.控制器用來控制、指揮程序和數據的輸入、運行以及處理運算結果。

　　　　　　4.輸入設備用來將人們熟悉的信息形式轉換爲機器能識別的信息形式。

　　　　　　5.輸出設備可將機器運算結果轉換爲人們熟悉的信息形式。

　　現代計算機已將運算器和控制器集成爲CPU

　　　　因爲運算器和控制器在邏輯關係和電路結構上聯繫緊密，在大規模集成電路技術成熟後，將運算器和控制器集成在同一個芯片上，合稱爲中央處理器(CPU, Central Processing Unit)。

　　　　此外，CPU中還有一些寄存器組。即CPU由運算器、控制器、寄存器組構成。

現代計算機硬件簡化組成框圖

　　　　因爲運算器和控制器被集成爲CPU，因此可認爲現代計算機由三大部分組成：CPU、I/O設備(Input/Output Equipment)、主存儲器(MM, Main Memory)。

　　　　算術邏輯單元 (ALU, Arithmetic Logic Unit) 用來完成算術運算和邏輯運算。

　　　　控制單元(CU, Control Unit)用來解釋存儲器中的指令，併發出各類操做指令來執行指令。

 

 

存儲器的基本組成 

　　　　這裏討論的是主存，即內存。

　　　　主存儲器包括存儲體、MAR、MDR、各類邏輯部件及控制電路。

　　存儲器內部結構說明

　　　　一個主存儲器(內存條)由多個存儲體組成，一個存儲體中有許多存儲單元，一個存儲單元中有若干個（八、1六、32個等）存儲元件；

　　　　每一個存儲元件能存儲一個二進制數 「0」 或 「1」；

　　存儲字 存儲字長

• • 存儲字：一個存儲單元存儲的二進制代碼；
  • 存儲字長：一個存儲單元存儲的二進制代碼的位數；存儲字長能夠是8位、16位、32位等。

　　　　　　一個存儲字能夠表示一個二進制數、十進制數、十六進制數、一串字符、ASCII碼、一條指令等。

　　　　　　如：存儲字0011011001111101，表示16位的二進制數，表示十進制數13949，表示十六進制數367DH，表示兩個ASCII碼「6」和「}」，表示某條指令。

　　　　　　指令與數據保存在存儲器中；

　　按地址尋訪

• • 按地址尋訪：賦予每一個存儲單元一個地址號，按存儲單元的地址號實現對存儲字的存(寫入)、取(讀出)。

　　　　　　　　如，將編寫好的程序的各條指令預先存入各存儲單元，當運行程序時，只要給出程序首條指令在主存中的首地址，而後採用程序計數器加1的方法，自動造成下一條指令所在存儲單元的地址，機器即可自動完成整個程序的運行。

　　　　　　　　又如，當須要重複使用某個數據或某條指令時，只要指出其相應的存儲單元地址號便可，沒必要佔用更多的存儲單元重複存放同一數據或同一指令，從而提升存儲空間利用率。

　　兩個寄存器

　　　　MAR(Memory Address Register), 存儲器地址寄存器。

• • 做用：存放存儲單元的地址(編號)。
  • MAR 的位數與存儲單元的個數對應。如，若存儲單元有1024=2¹⁰個，則MAR有10位。
  • MAR 反映存儲單元的個數。

　　　　MDR(Memory Data Register),存儲器數據寄存器。

• 做用：存放準備存入存儲單元的數據，或存放從存儲單元中取出準備送往 CPU 的數據。
• MDR 的位數等於存儲字長。
• MDR 反映存儲字長，及單個存儲單元的長度。

 運算器的基本組成

　　　　運算器功能：執行各類算術運算和邏輯運算操做的部件。　　

　　　　運算器的基本操做包括加、減、乘、除四則運算；與、或、非、異或等邏輯運算；以及移位、比較和傳送等操做。

	累加器 ACC (Accumulator)	MQ (Multiplier-Quotient Register) 乘商寄存器	X 操做數寄存器
加法	被加數	——	加數
	和
減法	被減數	——	減數
	差
乘法	乘積高位	乘數	被乘數
		乘積低位

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

控制器的基本組成

　　　　控制器的功能：解釋指令，保證指令的按序執行。

　　PC：程序計數器 (Program Counter)。

　　IR：指令寄存器 (Instruction Register)。

　　完成一條指令過程當中控制器發揮的做用：

　　1.取指令：命令存儲器讀出一條指令。

　　　　動做部件：程序計數器PC。

　　　　存放當前將要執行指令的地址，具備計數功能（PC）+1→PC，便可造成下一條指令地址。PC與主存的存儲器地址寄存器MAR之間有一條直接通路。

　　　　PC→MAR→M→MDR→IR

　　　　動做部件：指令寄存器IR。

　　　　存放當前將要執行的指令；將IR中指令的操做碼送至CU，用來分析；將IR中指令的地址碼送至存儲器的MAR，做爲操做數的地址。

　　　　OP(IR):IR中指令的操做碼。OP(IR)→CU

　　　　AD(IR):IR中的指令地址碼。AD(IR)→MAR

　　2.分析(解釋)指令：分析該指令要完成那些操做，明確操做數的地址。

　　　　動做部件：控制單元CU。

　　　　分析當前指令所須要完成的操做。

　　3.執行指令：根據操做數所在的地址和指令的操做碼完成某種操做。

　　　　動做部件：控制單元CU。

　　　　發出各類微操做命令序列，控制全部被控對象完成動做。