计组 计算机基本组成

当今的计算机，绝大部分是冯诺依曼式计算机

冯诺依曼机的特点

冯诺依曼最早提出了程序存储的思想，并运用在计算机设计中，我们把根据这一原理结构设计的机器，都称之为冯诺依曼计算机

冯诺依曼计算机报告中提到，计算机应该具有5大部分组成，简单理解为:

• 运算器，计算是计算机的核心
• 控制器，控制计算的内容
• 存储器，冯诺依曼是存储型计算机，有存储器
• 输入设备，我们的数据要输入到计算机当中
• 输出设备，计算机计算的结果要给人看，能看懂

那么，这样的计算机具有什么特点？（6个）

1. 计算机有5大部件组成
2. 数据和指令以同等地位存储于存储器，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

具有存储能力的计算器，均称为冯诺依曼计算机，

那么我们能不能设计出不同的部件计算机呢？比如5大部件之间合并？比如数据和指令分别存储？（在很多缓存cache中，数据和指令是分离的），是否可以按内容进行查找？更多的问题需要大家去思考

如何理解以运算器为中心？

输入设备需要通过运算器，再送到存储器中

要输出内容，也要先从存储器送给运算器，再送到输出设备中

控制器控制什么？

控制器指挥，和控制程序的运行

在执行指令前，要先把数据(指令)从存储器送到控制器，控制器分析指令，完成一条指令的执行，完成指令先后顺序的控制

那么，冯诺依曼计算机有什么缺点？

运算器为5大部件的核心，全术运算，逻辑运算都要经过运算器运算，就连输入输出也得经过运算器，运算器非常繁忙，成为了计算机发展的瓶颈，我们能否对它进行一些改进？

冯诺依曼机改进

冯诺依曼计算机，具有2个明显的缺点，

• 以运算器为中心，导致运算器非常繁忙
• 5大部件之间没有层次关系

以存储器为中心，是对冯诺依曼计算机的一种改进

以存储器为中心，输入设备，输出设备能直接与存储器传输，控制器仍能对整个系统控制，运算器也能直接与存储器交换数据

但是这样的改进还不够完善，层次感依然比较低。

我们知道，5大部件可以组成以下结构

• 运算器ALU，控制器CU组成了CPU
• 主存和辅存组成了存储器
• CPU和存储器组成了主机
• 输入设备和输出设备组成了IO设备
• 主机和IO设备构成了计算机

那么大概可以分成主机系统，和IO系统，后续我们将以计算机完成一个具体问题分析，讲计算机结构细分为更小的模块

实际问题的解决

一个现实中的问题，如何用计算机来解决？是不是所有的问题都能用计算机来解决？

可计算行理论，是研究计算的可行性与函数算法的理论，又称为算法理论，设函数定义域为D，值域为R，如果存在一种算法，对定义域D中给定的任意一个X，都能够给出一个对应的值f(x)，那么称这个函数可计算，计算算通常表示该问题是否可以被计算机解决

假设我们后续的问题不涉及到是否可计算，假设我们的问题都可以被计算机计算，如何用计算机来解决这个问题呢？

也许我们想到的，是”编写程序”，但实际上我们往往要做的更多，比如

• 建立数学模型（比如计算正弦交流电流）
• 确定计算方法（指令集中往往没有sin图像指令集，最终通过数学公式计算）
• 编写程序解题（程序指指运算的全部步骤，指令为一个步骤）

编程举例

需求: 计算ax^2+bx+c

假设我们的计算机，是一个累加器型的机器，即有2个操作数，一个操作数来自于累加器，另一个操作数来自于主存储器，此外假设机器包含了6条指令（①加法，②乘法，③取数，即从内存取数，④存数指令，存到寄存器上，⑤打印指令，到屏幕⑥停机指令），那么开始计算

• 取x至运算器中 ==》 x
• 乘以x在运算器中 ==》x^2
• 乘以a在运算器中 ==》ax^2
• 存ax^2在存储器中
• 取b至运算器中 ==》b
• 乘以x在运算器中 ==》bx
• 加上ax^2 ==》 ax^2+bx
• 加上c ==》 ax^2+bx+c

在上述算法中，我们可以进行一些优化，比如ax^2+bx+c ==》(ax+b)x+c

• 取x至运算器中 ==》x
• 乘以a至运算器中 ==》 ax
• 加b至运算器中 ==》 ax+b
• 乘以x至运算器 ==》 (ax+b)x
• 加c至运算器 ==》 (ax+b)x+c

优化后的算法，比原算法更简单，步骤更少，这是算法上的优化，接下来我们编写一个模拟的程序清单

程序的清单有了， 如何把指令和数据存放到存储器中？存储器的结构是怎样的？如何进行访问？每次获得的数据的位数又是多少呢？

存储器是用于保存数据的，核心结构就是一个存储体，由若干个存储单元组成，存储单元又由若干个存储元件组成，这里有一些名词需要解释

• 存储单元 ==》 存放一串二进制数据（通常1字节）
• 存储字 ==》 存储单元中二进制数据的组合（通常2字节）
• 存储字长 ==》 存储单元中二进制数据的位数（通常8）

在存储器中，不单有存储体，还有一些寄存器

• MAR ==》 存储器地址寄存器，保存指令或操作数的地址，反映存储单元的个数
• MDR ==》存储器数据寄存器，保存了cpu要送入、从存储器取出的数据，反映了存储字长大小

MAR如何反映存储单元的个数？设MAR=4，则存储单元为4*4=16

你可以理解为存储体是一个长方体，而存储单元是一个底面积，存储字长是存储体的高

已知存储体的基本结构和工作过程，那么运算器的结构是什么？运算器是如何工作的？如何进行程序的运算？

运算器的功能是什么？加法？乘法？如何根据运算器的功能推断结构？

运算器的基本功能是完成运算，则运算器的基本组成是算数逻辑单元（ALU），ALU通常是一个组合逻辑电路，ALU要能够运算，首先能读取数据，则还必须有2个寄存器保存参与运算的数据，分别是ACC和X，对于乘法指令数据会增大一倍需要一个临时存储器MQ（也叫乘商寄存器），下面我们模拟简单算数运算

	ACC	MQ	X
加法	被加数 和		加数
减法	被减数 差		减数
乘法	乘积高位	乘数 乘积低位	被乘数
除法	被除数 余数	商	除数

在计算机中，可以使用移位实现加法，而不是简单的累加，关于更多乘法会在后续的章节中介绍

一个算数操作有几个步骤，例如加法操作过程？

首先需要一个加法指令，由于加法中需要2个数，那么初态中需要把被加数送到寄存器ACC中，接着把加数从指定的内存地址中取出，送到X中，然后执行加法运算，最后把结果存放在ACC中

那么控制器的基本结构如何呢？

控制器的基本功能是：解释指令。要完成一条指令，首先要取指令，然后是分析指令，把操作码部分送给控制单元进行分析，最后是执行指令

要取指令，指令保存在哪？它需要一个地址，那么控制器中有一个寄存器pc保存预指令的地址，执行完一条指令，它应该能指向下一个功能，所以应该有一个计数功能（pc不一定是+1，而+1仅表示计数操作，不代表实际数字）

分析指令， 把指令从内存单元中取出，送到控制单元中分析，要把指令锁存起来再取操作码部分，那么需要一个寄存器IR保存指令，区分IR中保存的是当前预执行的指令，而pc是预执行指令的内存地址，当IR取指后，PC就会+1

最后的执行指令，则由cu控制完成

运算器、控制器、存储器构成了什么？一条指令是如何在主机上构成的？一个程序是如何在主机完成的？

例如取数指令过程：

1. PC =》MAR,
2. MAR =》存储体
3. 存储体 =》 MDR
4. MDR =》IR
5. IR =》CU
6. IR =》MAR
7. MAR =》存储体
8. 存储体 =》MDR
9. MDR =》 ACC

无论是取数、存数，都是差不多的，那么对于ax^2+bx+c程序是如何完成的？

• 将程序通过输入设备送至计算机
• 程序首地址 =》 PC
• 启动程序运行
• 取指令， PC =》 MAR =》M（表示存储体） =》MDR =》IR，pc+1
• 分析指令，OP（IR）=》CU
• 执行指令，Ad（IR）=》MAR =》M =》MDR =》ACC
• 下一条指令，乘法指令，略
• …
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