计算机组成原理 — 冯诺依曼体系结构

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前言

本地是笔者基于《计算机组成原理》、《深入理解计算机系统》、《深入浅出计算机组成原理》和《大话计算机第一卷》的学习总结与归纳。主要记录了 CPU 组成及运算原理、指令系统、存储系统、I/O 系统等内容，围绕如何提高计算机性能展开思考。

计算机组成原理的研究目的

计算机组成（Computer Organization），其中 Organization 是 “组织机构” 的意思。所以计算机组成原理就是研究计算机这一实体内部的多个不同部件之间是如何变成一个 “组织机构” 的，这个组织机构最终又是如何能够进行各种计算、控制、读取输入、返回输出，从而提供各种强大功能的。

• 学习控制器、运算器的工作原理，也就是 CPU 的工作原理；
• 学习存储器的工作原理；
• 学习 CPU 是如何与输入/输出设备交互的；
• 学习计算机指令和计算，即高级语言到机器指令的翻译过程；
• 学习浮点数的实现。

冯·诺依曼体系结构的五大组成部分

冯·诺依曼体系结构，也叫存储程序计算机。即程序本身是存储在计算机的内存里的，可以通过加载不同的程序来解决不同的问题。

冯·诺依曼在《First Draft of Report o the EDVAC》（《第一份草案》）中提出了现代计算机组成的五大部分 —— 控制器，处理器，存储器，输入和输出设备。

注：EDVAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数值积分计算机） 是实际上第一台电子计算机。

• 处理单元（Processing Unit，PU）：又称数据通路（Datapath）或运算器，包含了算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（Processor Register）。用于完成各种算术和逻辑运算。

• 控制器单元（Control Unit，CU）：包含了指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter）。用于控制程序的流程（程序流），通常是条件判断和跳转。

NOTE：PU 和 CU 就组成了 CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。

• 储存器：包括用于存储数据（Data）和指令（Instruction）的主存储器和容量更大但速度却慢的外部存储器。

• 输入/输出设备：键盘、鼠标属于输入设备，显示器是输出设备，网卡即是输入设备又是输出设备。

冯·诺依曼机与图灵机之间的关系

• 图灵机是一个抽象的思想模型（计算机的基本理论基础），是一种有穷的、构造性的问题的问题求解思路。背后对应着可计算性理论，告诉我们什么样的问题是计算机解决得了的，什么样的问题是解决不了的。图灵认为凡是能用算法解决的问题也一定能用图灵机解决；

• 冯诺依曼提出了 “存储程序” 的计算机设计思想，并“ 参照” 图灵模型设计了历史上第一台电子计算机，即冯诺依曼机。