[计算机组成原理-02] 计算机硬件的基本组成和工作原理

1、基本组成

1.1 早期冯诺依曼机的结构

  早期的计算机每次运算都需要人手动接线来控制计算，冯诺依曼因此设计出以存储程序为核心的计算机。

  “存储程序”的概念是指：将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

  早期的冯诺依曼机结构如下：

  其中，实线箭头表示数据线，虚线箭头表示控制线和反馈线。

  在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的。

  Eg：对乘法运算,可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现。

  冯·诺依曼计算机的特点:

• 1.计算机由五大部件组成
• 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.存储程序
• 6.以运算器为中心

  输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。

1.2 现代计算机的结构

  现代计算机的结构如下所示：

  五大部件的关系如下：

  需要注意的是：主存就是我们常说的内存，辅存是我们常说的硬盘等。

2、内部结构

2.1 主存储器

  主存储器结构如下：

• MAR：存储地址寄存器
• MDR：存储数据寄存器

  程序和数据都保存在存储体中。

  读的过程：CPU 把要获取的指令或者数据在存储体中的地址给 MAR 并发出读取的命令，存储体就会把对应地址的指令或数据给 MDR ，然后 CPU 就从 MDR 取走，整个过程类似于菜鸟驿站：

  我（CPU）把要拿的快递（指令或数据）的地址给店员（MAR），然后店员（MAR）拿着地址从货架（存储体）找到后拿给柜台（MDR），最后我（CPU）从柜台拿走。

  写的过程：CPU 把要写的内容发给 MDR，把要存储的地址给 MAR，接着向主存储器发出写入的命令，主存储器就会把 MDR 的数据存储到 MAR 指定的地址中。

• 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码；
• 存储字(word)：存储单元中二进制代码的组合；
• 存储字长：存储单元中二进制代码的位数；
• 存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit。

  例如：MAR = 4位，那么总共可以表示 2⁴ 个存储单元。MDR = 16 位，则每个存储单元可以存储 16 bit 的数据。

2.2 运算器

  运算器用于实现算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非）。

• ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果；
• MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果；
• X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数；
• ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算。

	加	减	乘	除
ACC	被加数、和	被减数、差	乘积高位	被除数、余数
MQ			乘数、乘积低位	商
x	加数	减数	被乘数	除数

2.3 控制器

• CU：控制单元，分析指令，给出控制信号；
• lR：指令寄存器，存放当前执行的指令；
• PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能。

  完成一条指令的过程：

• 1、取指令（PC）
• 2、分析指令（IR）
• 3、执行指令（CU）

3、计算机的工作过程

  假设一段代码如下：

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

  编译并装入主存：

  计算机内部组成如下所示：

  初始时，PC 指向主存地址 0 的地方。

  控制器把 PC 的值给主存储器的 MAR ，如下图：

  MAR 此时值为 0，主存储器即从主存地址 0 的地方取出指令（000001 0000000101）并赋值给 MDR，如下图：


  控制器取到了 MDR 的数据后就赋值给 IR，使得 IR = 000001 0000000101，其中操作码（000001）部分会发送到 CU，CU 分析后得知是”取数“指令，如下图所示：

  接着控制器把 IR 的地址码（0000000101，换算成十进制为 5）发送到主存储器的 MAR，主存储器就把主存地址 5 的指令发给 MDR，控制器从 MDR 把指令取走并赋值给 IR，此时 IR = 0000000000000010，换成十进制就是 2，如下图所示：

  接着控制器又把这个 2 赋值给运算器的 ACC，使得 ACC = 2，如下图所示：

  至此，计算机就完成了“取数 a 至 ACC”的操作。剩余的 1 - 4 执行过程都是按照：取指令、分析指令、执行指令的过程完成所有代码操作。

  总结：计算机的工作过程先从主存中取指令放入 IR，PC 自动加一，接着 CU 分析指令，最后 CU 指挥其他部件执行指令。