计算机的基本组成

Posted 2022-12-03 计算机小白的爬坑之路

计算机基本组成

• • • 一、冯·诺伊曼计算机的特点
    • 二、冯·诺伊曼计算机硬件框图
    • 三、冯·诺伊曼计算机优化
    • • 1、以存储器为中心的计算机硬件框图
      • 2、现代计算机硬件框图
      • 3、系统复杂性管理的方法
    • 四、计算机的工作步骤
    • • 1、编程举例
      • 2、指令格式举例---ACC（累加器）
    • 五、存储器的基本组成
    • • 1、存储体
      • 2、MAR（存储器地址寄存器）
      • 3、MDR（存储器数据寄存器）
    • 六、运算器的基本组成及操作过程
    • • 1、运算器基本组成
      • 2、加法操作过程
      • 3、减法操作过程
      • 4、乘法操作过程
      • 5、除法操作过程
    • 七、控制器的基本结构
    • • 1、控制器的功能
      • 2、控制器的基本结构
    • 八、主机完成一条指令的过程
    • • 1、以取数指令为例
      • 2、以存数指令为例
      • 3、一个小程序的执行过程

一、冯·诺伊曼计算机的特点

1. 计算机由五大部件组成：运算器、控制器、存储器，输入/输出设备；
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访；
3. 指令和数据用二进制表示；
4. 指令由操作码和地址码组成；
5. 程序存储在存储器中；
6. 以运算器为中心；

二、冯·诺伊曼计算机硬件框图

五大组成部分的功能：

1. 运算器（核心）：算术运算、逻辑运算；（造成运算器负担）
2. 存储器：存放数据和程序；
3. 控制器：指挥控制程序的运行，完成指令之间先后顺序的控制；
4. 输入设备：把人能够认识的信息转换成机器能识别的形式，通过运算器保存到存储器中；
5. 输出设备：将计算机计算结果转换成人们熟悉的形式；

缺点：

1. 以运算器为中心，造成运算器负担过重；
2. 框图不清晰

三、冯·诺伊曼计算机优化

1、以存储器为中心的计算机硬件框图

2、现代计算机硬件框图

3、系统复杂性管理的方法

1. 层次化：将被设计得系统划分为多个模块或子模块，分别对多个模块和子模块进行设计或者进一步细化；
2. 模块化：有明确定义的功能和接口，才能将多个模块或者子模块组装在一起，形成更大的系统；
3. 规则性：模块更容易被重用，如满足工业化或者国际化标准；

四、计算机的工作步骤

1、编程举例

计算：ax²+bx+c

此例存在加法指令，乘法指令，取数指令，存数指令，打印指令，停机指令。

转换为计算：（ax+b）x+c

2、指令格式举例—ACC（累加器）

指令格式为：操作码、地址码
存储器功能保存指令、数据和其他信息

1. 取数指令：把内存单元 α 中保存的数据保存在ACC中假设操作码6位，地址码10位，000001表示取数。
2. 存数指令：把ACC中的数保存到内存 β
3. 加法指令：把ACC中的数和内存单元 γ 中的数相加，并保存在ACC中；
4. 乘法指令：同上；
5. 打印指令
6. 停机

五、存储器的基本组成

1、存储体

1. 指令、数据保存在存储单元中；
2. 存储体-----存储单元------存储元件（0/1）；
3. 操作码、地址码存放在存储单元中；
4. 存储单元存放一串二进制代码；
5. 存储字：存储单元中二进制代码的组合；
6. 存储字长：存储单元中二进制代码的位数，每一个存储单元赋予一个地址。

2、MAR（存储器地址寄存器）

1. MAR反映存储单元的个数。
2. 保存了存储单元的地址，或者存储单元的编号。

3、MDR（存储器数据寄存器）

1. MDR反映存储字长。
2. 保存了要送入CPU中的数据，要保存到存储体中的数据或者刚从存储体中取出的数据。

例子：设MAR=4位，MDR=8位。
MAR为4位，从0000-1111，共16个，故存储单元个数16位；
MDR为8位，则存储字长是8。

六、运算器的基本组成及操作过程

1、运算器基本组成

1. ACC：累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器。
2. MQ：乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。
3. X：此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数。
4. ALU：专门执行算术和逻辑运算的数字电路。

2、加法操作过程

3、减法操作过程

4、乘法操作过程

由控制器进行控制其操作的先后顺序，或者同时操作

5、除法操作过程

七、控制器的基本结构

1、控制器的功能

1. 解释指令：从取址、分析、取操作数、执行指令，保存结果全过程。
2. 保证指令的按序执行

2、控制器的基本结构

1. PC寄存器和MAR之间有一条直接的通路，有自动加一的功能（是指自动形成下一条指令的地址），不是真的加1。
2. IR的内容来自MDR，IR中的操作码（OP(IR)）送到CU，用来分析指令，地址码(AD(IR))则送到了存储器的MAR中。
3. CU控制单元是控制器的核心，各种信号从CU发出，它分析当前指令需要完成的操作，发出各种微操作命令序列，控制所以被控对象。

八、主机完成一条指令的过程

1、以取数指令为例

执行取数指令需要经过以下步骤： 取指令（1-4）-----分析指令（5）----执行指令（6-9）

1. PC将要执行的指令地址送给MAR；
2. 再由MAR送给存储体；
3. 在控制器的控制下，存储体把指定存储单元中保存的取数指令送入到MDR；
4. MDR把取数指令送给指令寄存器 IR ；
5. 指令寄存器 IR 中保存的指令的操作码部分送到CU，CU分析操作码；
6. 将IR中的地址送到MAR；
7. 在控制器的控制下，MAR从存储体用取数指令找到要取的数；
8. 将取的数保存到MDR；
9. 将数据送到ACC寄存器中。

2、以存数指令为例

执行存数指令需要经过以下步骤：取指令（1-4）（同上）-----分析指令（5）----执行指令（6-9）

1. PC将要执行的指令地址送给MAR；
2. 再由MAR送给存储体；
3. 在控制器的控制下，存储体把指定存储单元中保存的取数指令送入到MDR；
4. MDR把取数指令送给指令寄存器 IR ；
5. 将IR中保存的操作码部分送给CU，由CU进行分析，得是存数指令；
6. 将IR中的地址码部分送到MAR；
7. 在控制器的控制下，由MAR送到存储体，告诉存储体要存数据的地址；
8. 将ACC中的数据送到MDR；
9. 在控制器的控制下，把MDR中的数据保存到存储体M中。

3、一个小程序的执行过程