[计算机组成原理] 冯诺依曼结构原理及层次结构分析

一、冯诺依曼简介

• 因提出“离散变量自动电子计算机方案”-EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），被称为“计算机之父”，该方案至今仍为计算机设计者所遵循；
• 是20世纪最重要的数学家之一，因其在现代计算机、博弈论等领域的重大贡献成为美国科学院院士。

二、冯诺依曼计算机的工作原理

1、存储程序（存储系统构建与快速访问）

将程序存放在计算机的存储器中；

2、程序控制（指令系统、控制器设计等）

按指令地址访问存储器并取出指令，经译码依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算的控制，完成指令的功能。

三、冯诺依曼计算机的组成（硬件+软件）

1、硬件系统

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总体图

主机：CPU（运算器+控制器）、内存
外设：输入设备、输出设备、外存储器
总线：地址线、数据线、控制线

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运算器

算术运算：加、减、乘、除法等
逻辑运算：与、或、非、移位等
基本结构：ALU（Arithmetic Logical Unit）、寄存器、连接通路

注重功能与结构的关系？
---- 指令、数据类型、性能要求等

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控制器

基本功能：产生指令执行过程所需要的所有控制信号、控制相关功能部件执行相应操作；
控制信号的形式：电平信号、脉冲信号
产生控制信号的依据：指令、状态、时序；
控制信号的产生方式：微程序、硬布线

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存储器

功能：存储原程序、原数据、运算中间结果；
工作模式：读/写；
工作原理：按地址访问，读/写数据。

容量	1K	1M	1G
地址线数	10	20	30

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输入/输出设备

输入设备：向计算机输入数据（键盘、鼠标、网卡、扫描仪等）
输出设备：输出处理结果（显示器、声卡、网卡、打印机等）

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2、软件系统

对软件的理解

• 可运行的思想和内容的数字化
  思想：算法、规律、方法–程序表达
  内容：图形、图像、数据、声音、文字等被处理的对象
• 软件的表现形式：程序和数据（以二进制表示的信息）
• 软件的核心：算法

系统软件：如操作系统、网络系统和编译系统
支持软件：开发工具、界面工具等
应用软件：字处理软件、游戏软件等

3、硬件与软件系统间的关系

• 相互依存
  硬件是软件运行的基础，软件的正常运行是硬件发挥作用的重要途经。计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且应充分发挥其硬件的功能；
• 逻辑等效性
  某些功能既可由硬件实现，也可由软件来实现；
• 协同发展
  软件随硬件技术的迅速发展而发展，而软件的不断发展与完善又促进硬件的更新，两者密切地交织发展，缺一不可。

四、计算机的层次结构

Compiler翻译

Assembler翻译

解释

应用程序

高级语言 e.g. C

汇编语言 e.g. MIPS

操作系统

指令集架构层 e.g. MIPS

微代码层

硬件逻辑层

1、层次分析

• 不同用户处在不同层次
• 不同层次具有不同属性
• 不同层次使用不同工具
• 不同层次代码效率不同

2、透明性概念

• 本来存在的事物或属性，从某个角度去看，却好像不存在
• 如硬件的特性对C语言程序设计者而言就具有透明性

3、系统观

• 当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响；
• 不同类型的软件对硬件有不同的要求；
• 编程的CPU硬件相关性，编程应查阅对应的CPU的编程手册。

4、软/硬件的分界线

• 分界线在哪里？（指令集架构层-|-微代码层）
• 分界线即软、硬件的接口，是指令操作硬件的入口；
• 指令格式及指令的设计与硬件关联！