计算机里基本硬件的组成以及硬件协同

冯·诺依曼体系

世界上第一台通用计算机，ENIAC，于1946年诞生于美国一所大学。
ENIAC研发的前期，需要工作人员根据提前设计好的指令手动接线，以这种方式输入指令给计算机。显然，这种方式程序运行的效率受人工的影响，大部分时间消耗在人工手动接线上面。

ENIAC研发的中期，冯诺依曼加入研发小组。此后，三位大佬（包括冯诺依曼在内）基于对ENIAC的改进，研发了EDVAC机，冯诺依曼在研发EDVAC机时提出了“存储程序”的思想， 奠定了现代计算机的基本结构。

存储程序：将事先编制好的程序和数据送入主存才能执行，一旦程序被启动执行，就无需操作人员的干预，计算机会自动逐条执行指令，直至程序执行结束。

这个时候就不需要人工手动接线输入指令了，从而提升了效率。以这种概念为基础的计算机我们把它叫做冯·诺依曼机。冯·诺依曼体系结构如下图：

其特点

1. 采用“存储程序”的方式
2. 计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器（主、外）、输入设备、输出设备五大部件组成
3. 指令和数据以同等地位保存在存储器里，均用二进制表示，计算机可以区分。
4. 指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址。

输入设备

输入设备的任务:用来接收原始内容，然后把程序和数据转换为计算机能够接受和识别的形式输入计算机。

例如：

• 键盘
• 鼠标

输出设备

输出设备的任务：将计算机内经过计算机处理的结果转换为我们能看懂的形式输出。

例如：

• 显示屏
• 打印机

存储器

存储器分为主存储器和辅助存储器，主存储器又可以叫做内存储器，也就是我们平时经常提到的内存。主存储器 + CPU就构成了主机，和我们小时候提到的主机是不一样的。辅助存储器又可以叫做外存储器，磁盘是最常见的外存储器。

主存储器我们可以把它想象成一个非常大的中药柜子 + 取药、放药的柜台

主存储器的存储体 相当于 这个大中药柜子。
存储体由许多存储单元组成，存储单元相当于中药柜子里的一个个小柜子。
存储单元包含若干存储元件，每个存储元件存储一个二进制位。相当于一个小柜子里有若干的空间，每一个空间可以放一个草药（我把它抽象过度了）

一个存储单元里可以放一串二进制代码，这串代码我们呢把它叫做存储字，这串代码的位数为存储字长。存储字长就相当于小柜子里放了多少个草药。存储字长， 一个字只能是1字节，或者1字节的偶数倍。

现在来模拟主存储器的工作方式：
取数据的过程：

• CPU把它需要的数据地址，放到地址寄存器MAR里面。
• 主存储器根据地址寄存器里面的地址，去存储体内找数据
• 主存储器将数据，存入数据寄存器MDR，等待CPU来获取。

存数据的过程

• CPU把要存入的数据，放到数据寄存器MDR里
• CPU把地址（它想把数据放在哪一个位置的地址），放入地址寄存器MAR
• 主存储器根据地址寄存器MAR里的地址，将数据寄存器MDR里的数据放入存储体。

主存储器存取数据的方式，很容易联想到实际例子。

以中医师徒为例，类比主存储器取数据的过程。徒弟负责打杂，例如师傅想要柜子里的草药—党参，师傅就把党参的位置写在纸条上，然后徒弟根据纸条上的位置，去柜子里找，找到了就把党参放在柜台上，等待师傅拿就可以了。

现代计算机，地址寄存器MAR和数据寄存器MDR是放在CPU里面的。

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CPU中的运算器和控制器，在"运算器"和"控制器"里并不讲解它们的工作原理，只介绍它们的基本部件，工作原理在“工作流程”中结合进行介绍。

运算器

运算器是用来进行算术运算和逻辑运算的。

算术运算，例如加、减、乘、除
逻辑运算，例如

• 与
• 或
• 非
• 异或
• 移位

运算器的核心是算术逻辑单元，简称ALU。运算器里面有三个寄存器是必须存在的，分别是累加器ACC、乘商寄存器MQ和通用的操作数寄存器X。用于暂时存放操作数和中间结果。

• 累加器ACC。存放操作数和运算结果
• 乘商寄存器MQ。在乘、除运算时，存放操作数和运算结果
• 操作数寄存器X。通用的操作数寄存器，存放操作数和运算结果。

控制器

控制器相当于指挥中心。

程序计数器PC，存放当前想要执行的指令的地址。具备自动加1的功能，当PC里面的指令被取出来以后，PC里放下一条将要执行指令的地址。

指令寄存器IR，当PC把地址放到地址寄存器MAR里，主存储器就把该地址上的指令取出，放到数据寄存器MDR里，指令寄存器IR的内容来自MDR，放的是当前的指令。

指令由操作码和地址码组成，指令寄存器IR里的指令，的操作码，被送入控制单元CU用于分析指令并发出命令；而指令的地址码又被送入地址寄存器MAR里，用于取操作数的数据。

指令和数据在指令周期的不同阶段，所以CPU能够区分指令和数据。

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协同工作的流程

#include 
int main(void){
	int a = 2, b = 3, c = 1, y = 0;
	y = a * b + c;
	return 0;
}

上述文件经历预处理、编译、汇编、链接四个大步骤，最终形成一个可执行文件。汇编阶段，汇编器会把程序翻译成机器语言指令，也就是二进制代码。可执行文件里的内容就是由上述步骤转化而来的二进制。

现在以该可执行文件演绎一部分过程。要执行该文件时，先将它的代码和数据加载到内存里面，并且把第一条指令的地址写入程序计数器PC中

第一条指令周期：
（1）(PC)->MAR 。PC程序计数器里的地址通过地址总线，输入到地址寄存器MAR里，主存储器收到CPU发送的读信号
（2）M(MDR)->MDR。从存储体内拿到指令, 放入数据寄存器MDR。此时MDR里的数据为000001 0000000101
（3）MDR->IR。将MDR里的指令通过数据总线给指令寄存器，IR = 000001 0000000101，指令由操作码和地址码组成。
（4）OP(IR)。IR里的指令，的操作码给控制单元CU，CU对操作码分析，得到这是一个取数指令
（5）AD(IR)。IR里的指令，的地址码继续给地址寄存器MAR，（MAR） = 5；
（6）主存储器根据地址码为5，去5地址取出数据，MDR = 0000000000000010 = 2
（7）将MDR里的数据，放入运算器里的累加器ACC = 2

(1)~(3)是取指令，取完指令后，程序计数器PC自动+1，现在PC里面保存的是地址1
(4)分析指令
(5)~(7)执行取数指令。

第二条指令周期：
（1）将程序计数器PC里的指令地址，通过地址总线，送入地址寄存器MAR内， （MAR）= 1
（2）主存储器根据地址找到指令，将指令放到数据寄存器MDR，此时MDR = 000100 0000000110
（3）将MDR里的指令，通过数据总线，送入指令寄存器IR，IR = 000100 0000000110
（4）IR内，指令的操作码送入控制单元CU，CU分析指令，这是 “乘法”指令
（5）IR内，指令的地址码送入地址寄存器MAR，此时（MAR）= 0000000110 = 6
（6）主存储器取出地址为6的数据0000000000000011 ，(MDR) = 0000000000000011 = 3
（7）将数据寄存器MDR里的数据，通过数据总线，送入运算器里的乘商寄存器MQ里， 此时(MQ) = 0000000000000011 = 3
（8）累加器ACC里的数据放入通用的操作数寄存器X里面。此时(x) = 2
（9）由算术逻辑单元ALU执行乘法运算，得到6，放入累加器ACC里面，此时(ACC)=6，如果乘积太大，就需要乘商寄存器MQ来辅助。

第三条指令周期：
…
…
…
综上，CPU工作的流程就是：取指令 ===>> 分析指令 ===>>执行指令。这种方式叫做流水线。还有一种机制比流水线要好得多，叫做超标量CPU。你可以这样理解，就是设计了一种机制，使得CPU的工作“超标量”了，把超标量理解为生活上的超标量就行。那么这种让CPU超标量的机制是如何的呢？

这种设计中，多了一个保持缓冲区。把多个指令同时取出并进行解码，放入保持缓冲区内，如果执行单元有“在偷懒的”（保持缓冲区内还有可处理的指令，但是执行单元有空闲），就从保持缓冲区取出并且执行。缺点在于：从保持缓冲区取出的指令，极大可能不按原来的顺序执行，这个应该比较好理解。