一：計算機層次結構

（1）早期的馮諾依曼機

馮諾依曼機特點如下

1. 計算機硬件系統由運算器、存儲器、控制器、輸入和輸出設備5部分組成
2. 指令和數據以同等地位存儲在存儲器，并可按地址尋訪
3. 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用于表示操作的性質，地址碼用于表示操作數在存儲器的位置
4. 指令在存儲器内按順序存放。通常指令是按照順序存放的，但是在特定條件下可以進行設定
5. 早期的馮諾依曼機器以運算器為中心，輸入輸出設備通過運算器與存儲器傳送數據

其中，實線是數據線，虛線是控制線（雙向）。在這種層次結構下，在控制器的指揮下，輸入和輸出設備輸入一些數據給運算器進行各種運算，如果産生中間結果，就會給存儲器，計算完成結果給到輸出設備。可以發現這種層次結構容易受到輸入和輸出設備的牽制，因為他們的速度相較于運算器太慢了，也即是短闆效應

（2）現代計算機的組織結構

為了解決I/O設備的速度和CPU速度差異懸殊的問題，現如今的計算機則采用以存儲器為中心的計算機組織結構

這種結果使I/O操作盡可能繞過CPU，直接在I/O設備和存儲器之間完成，以提高系統的整體運行效率

二：計算機硬件概述

（1）存儲器

A：存儲元、存儲單元、存儲體、存儲字和存儲字長

目前我們采用半導體器件來承擔存儲任務，一個半導體觸發器由于有0和1兩個狀态，就可以記憶一個二進制代碼。比如1個數需要用16位二進制代碼表示，那麼就需要有16個觸發器來保存這些代碼，這16個觸發器就是一個存儲單元。

主存儲器由許多存儲單元組成，每個存儲單元包含多個存儲元，每個存儲元存儲1位二進制代碼0或1.故存儲單元可存儲一串二進制代碼，稱這串代碼為存儲字，這串代碼的位數稱為存儲字長，存儲字長一般是一個字節（8位）或字節的偶數倍。許多存儲單元共同構成了一個存儲體。

B：存儲器的基本結構

存儲器分為主存（内存）和輔存（外存）。CPU可以直接訪問的是内存，内存主要存放的是程序和數據，是計算機實現“存儲程序”控制的基礎；外存中信息必須加載進内存後，CPU才可以訪問

主存最基本構成如下。存儲體存放二進制信息，MAR存放訪存地址，經過地址譯碼後找到所選存儲單元；MBR用于暫時存要從存儲器中讀入或寫入的信息。

【考點】

• 數據在存儲體中是按照地址存儲的，每個地址對應一個存儲單元；
• 存儲單元數目=2MAR位數
• ，例如如果MAR為10位，則存儲單元數目為210
• =1024。它用于尋址，其長度和PC長度一緻
• MDR的位數表示存儲字長，例如MDR為16，表示存儲字長為16，也表示1個字(word)=16bit
• 注意區分字（word）和字節（Byte），1個字節等于8個bit，而1個字的大小取決于機器
• 1B=1個字節，1b=1個bit

（2）運算器

運算器是計算機的執行部件，用于進行算數運算和邏輯運算

• 算數運算：比如加減乘除
• 邏輯運算：比如與、或、非、異或、比較等等

A：運算器基本結構

其中ALU是運算器造價最為高昂的部分，其實就是一堆複雜的電路

其餘三個分别是寄存器，輔助ALU完成計算功能，作用如下了解即可

B：運算器過程僞代碼描述

設M為主存中的某一個存儲單元，(M)表示取M中的數據，->表示将内容送入寄存器

加法實現：假設ACC中已經存在一個數，那麼首先取M的内容送入操作數寄存器X，即(M)->X；然後兩者相加重新送入寄存器ACC中，即(ACC) (M)->(ACC)

乘法實現：假設ACC中已經存在一個數，那麼首先取M的内容送入乘商寄存器MQ作為乘數，即(M)->MQ，再取ACC寄存器的内容放入X寄存器作為被乘數，即ACC->X，接着将ACC清零，即0->ACC，然後乘數乘以被乘數，一個送入乘積高位，一個送入乘積低位，即(X)×(MQ)->ACC//MQ

除法實現：假設ACC中已經存在一個數，首先取M的内容送入X作為除數，即(M)->X，ACC中的内容作為被除數，結果一個放入MQ作為整數部分，即(ACC)/(X)->MQ，另一個放入ACC作為餘數，即(ACC)%(X)->ACC

（3）控制器

控制器是計算機的指揮中心，由其指揮各部件自動協調地進行工作

A：指令

計算機指令就是指揮機器工作的指示和命令，程序本質就是一系列按照一定順序排列的指令

控制器靠指令指揮機器工作，人們用指令表達自己的意圖，并交給控制器執行

指令=操作碼 地址碼

操作碼就是指示計算機要幹什麼，地址碼可以理解為幹這些事情需要的原材料在哪裡，比如主存中就有可能存儲一些我們需要用到的數據，甚至可以是一些IO設備，比如鍵盤的地址

B：控制器基本結構

控制器基本結構如下

• 控制單元（CU）：分析指令、發出信号、協調操作
• 指令寄存器（IR）：存放當前要執行的指令，注意内容來源于MDR，因為指令和數據一樣也被存在存儲器
• 程序計算器（PC）：存放當前要執行的指令地址， 與MAR直接連通，并且可以自動 1

C：控制器過程僞代碼描述

完成一條指令的過程為：取指令（PC）->分析指令（IR）->執行指令（CU）

具體過程：首先取出指令，即(IR)，接着獲取指令的操作碼，即OP(IR)，然後獲取指令的地址碼，即AD(IR)，然後将操作碼送入控制單元分析，即OP(IR)->CU，操作碼表示需要幹什麼，但是幹活需要原材料，所以再把指令的地址碼送入MAR，AD(IR)->MAR,從MAR指示的存儲體取出原材料即可。

結合前面的加法，我們可以寫出完整的加法運算的過程的： 首要取加法指令，而指令存儲在存儲體中，想要取出指令必須要知道的指令的地址，而這個地址就存放在PC中，PC又和MAR直接相連，即(PC)->MAR，于是指令此時被放入了MDR中，那麼接着将指令放入IR中，即(MDR)->IR,接着取指令的操作碼送入控制單元，即OP(IR)->CU，然後再把原材料（就是一些操作數）的地址碼送入MAR，即AD(IR)->MAR。接着就可以進行加法操作了，由于上一步已經将操作數的地址碼送入了MDR中，所以現在送入操作數寄存器，即(MDR)->X，然後(ACC) (X)->ACC，最後PC要自增，即(PC) 1->PC，表示下一條指令

精華：計算機的工作過程

學習到這裡，我們就可以從硬件到角度分析一下，看似簡單的C語言代碼，在背後計算機究竟做了多少事情

以下程序非常簡單，聲明了4個變量并賦值，然後在main函數内進行運算

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

經過編譯器編譯後，這段程序在主存中就是這樣的

• 下半部分是定義的變量，上半部分則是對應于高級語言對應的機器指令

為了方便演示，我們将控制器、運算器和存儲體也放在旁邊

第一組

1：程序開始運行，PC的值為0，保存的是第一條指令的地址。然後将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=0。也就是說控制器向存儲器指明，我接下來要訪問主存0号地址處的數據，同時告訴存儲器進行讀操作

2 3：主存儲器會根據MAR記錄的地址信息，到存儲體中找出0号地址對應的二進制數據，并将其放入到MDR中，此時MDR中存放了第一條指令。即M(MAR)->MDR，此時MDR=000001 0000000101

4：接着将MDR中的指令放入IR中，于是控制器就存放了當前要執行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000001 0000000101

5：這條指令的前6個比特位是地址碼，會被送入到控制單元CU中，CU分析後，得知這是一條取數命令。即OP(IR)->CU

6：取數指令會将變量a的内容放入寄存器ACC中。但是現在變量a不知道在哪裡，所以現在會把指令的地址碼送到MAR當中，即(MAR)=5

7 8：接着主存儲器根據MAR指明的地址，也就是a的地址（5），去存儲體中找出5号地址的數據，并将其放入MDR當中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000010，也即(MDR)=2

9：接着在控制單元的指揮下，MDR中的數據就被放入到了ACC中。至此第一條指令完成

10：最後PC自增1，進行下一條指令，即(PC)=1

接下來進行下一組操作

1：程序接着運行，PC的值為1，保存的是第二條指令的地址。然後将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=1。也就是說控制器向存儲器指明，我接下來要訪問主存1号地址處的數據，同時告訴存儲器進行讀操作

2 3：主存儲器會根據MAR記錄的地址信息，到存儲體中找出1号地址對應的二進制數據，并将其放入到MDR中，此時MDR中存放了第二條指令。即M(MAR)->MDR，此時MDR=000100 0000000110

4：接着将MDR中的指令放入IR中，于是控制器就存放了當前要執行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000100 0000000110

5：這條指令的前6個比特位是地址碼，會被送入到控制單元CU中，CU分析後，得知這是一條乘法命令。即OP(IR)->CU

6：接着把指令的地址碼送到MAR當中，即(MAR)=6

7 8：接着主存儲器根據MAR指明的地址，也就是b的地址（6），去存儲體中找出6号地址的數據，并将其放入MDR當中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000011，也即(MDR)=3

9：由于是乘法，所以控制單元将MDR中的内容送入到乘商寄存器MQ中，即(MDR)->MQ，此時(MQ)=0000000000000011=3

10：先把a的值放入通用寄存器X中，即(ACC)->X,(X)=2

11：CU告訴ALU，讓其進行乘法運算。即(MQ)×(X)->ACC,(ACC)=6。注意如果乘積過大，需要MQ輔助存儲，也就是最上面講到過的(X)×(MQ)->ACC//MQ

接着進行下一組操作，具體過程就不詳細演示了，步驟如下

• 1:PC存儲2号指令的地址，(PC)->MAR,(MAR)=2
• 2 3:M(MAR)->MDR,(MDR)=000011 0000000111
• 4:(MDR)->IR，(IR)=000011 0000000111
• 5:OP(IR)->CU,CU分析操作碼，得知這是加法執行
• 6:Ad(IR)->MAR，将指令的地址碼送入MAR,(MAR)=7
• 7 8:M(MAR)->MDR，(MDR)=00000000 00000001=1
• 9:(MDR)->x,(X)= 00000000 00000001=1
• 10:(ACC) (X)->ACC,(ACC)->7，由ALU實現加法運算

接着進行下一組操作

• 1:(PC)->MAR,(MAR)=3
• 2 3:M(MAR)->MDR,MDR=000010 0000001000
• 4:(MDR)->IR,(IR)000010 0000001000
• 5:OP(IR)->CU,CU分析得知，這是存數指令
• 6:AD(IR)->MAR,(MAR)=8
• 7 8:(ACC)->MDR,MDR=7
• 9:(MDR)->地址為8的存儲單元，導緻y=7

最後再讀取到停機指令時，計算機通過中斷機制就結束了程序的運行

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