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本节思维导图一：计算机层次结构（1）冯诺依曼机特点（2）现代计算机的组织结构 二：计算机硬件概述（1）存储器（第三章重点学习）A：存储器相关基本定义B：存储器的基本结构C：存储器相关小考点 （2）运算器（第五章重点学习）A：运算器基本结构B：运算器过程伪代码描述（了解） （3）控制器（第四章重点学习）A：指令B：控制器基本结构C：控制器过程伪代码描述（了解） 精华总结：计算机的工作过程

本节思维导图

一：计算机层次结构

（1）冯诺依曼机特点

冯诺依曼机特点如下

计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备5部分组成指令和数据以同等地位存储在存储器，并可按地址寻访指令由操作码和地址码组成，操作码用于表示这是一个什么类型的操作，地址码用于表示操作数在存储器中的存放位置指令在存储器内按顺序存放（一般情况下是这样的，但在特定条件下也可以进行设定）早期的冯诺依曼机器以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据 上图中，实线是数据线，虚线是控制线（双向）

冯诺依曼机缺陷（早期）

在控制器的指挥下，输入和输出设备输入一些数据交给运算器进行运算，如果产生中间结果，就会传送给存储器，计算完成后最终结果会给输出设备。可以发现这种层次结构容易受到输入和输出设备的牵制，因为他们的速度相较于运算器太慢了（短板效应）

（2）现代计算机的组织结构

为了解决I/O设备的速度和CPU速度差异悬殊的问题，现如今的计算机则采用以存储器为中心的计算机组织结构，这种结果使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率

二：计算机硬件概述

（1）存储器（第三章重点学习）

A：存储器相关基本定义

存储器相关基本定义：目前我们采用半导体器件来承担存储任务，一个半导体触发器由于有0和1两个状态，就可以记忆一个二进制代码，关于存储器有如下五个非常重要的概念

存储元：也可称为存储元件和存储基元，用来存放一位二进制信息

存储单元：由若干个存储元组成，能存放多位二进制信息

存储体：许多存储单元可组成存储体，也即存储矩阵

存储字：每个存储单元中二进制代码的组合即为存储字，可代表数值、指令和地址等

存储字长：每个存储单元中二进制代码的位数就是存储字长

上述概念可以这样记忆：主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含多个存储元，每个存储元存储1位二进制代码0或1，故存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，而这串代码的位数称为存储字长，存储字长一般是一个字节（8位）或字节的偶数倍

B：存储器的基本结构

存储器基本结构：存储器主要分为

主存（内存）：CPU可以直接访问；主要存放程序和数据；是计算机实现“存储程序”控制的基础；外存中信息必须加载进主存后CPU才可以访问辅存（外存）：CPU不可以直接访问

主存的基本构成如下图所示

存储体M：存放二进制信息MAR（地址寄存器）：存放的是访存地址（经过地址译码后找到所选存储单元）MDR（数据寄存器）：存放的是要从存储器中读入或写入的信息

内部原理图如下

C：存储器相关小考点

此部分内容将在【第三章：存储系统】学习，所以看不太懂没有关系，其中一些常考考点汇总如下

数据在存储体中是按照地址存储的，每个地址对应一个存储单元存储单元数目= 2 M A R 位数 2^{MAR位数} 2MAR位数（如果MAR为10位，则存储单元数目为 2 10 = 1024 2^{10}=1024 210=1024）。它用于寻址，其长度和PC（程序计数器）长度一致MDR的位数表示存储字长（例如MDR为16，表示存储字长为16，也表示1个字(word)=16bit）注意区分字（word）和字节（Byte），1个字节等于8个bit，而1个字的大小取决于机器1B=1个字节，1b=1个bit

（2）运算器（第五章重点学习）

运算器：是计算机的执行部件，主要进行

算数运算：比如加减乘除逻辑运算：比如与、或、非、异或、比较等等

A：运算器基本结构

运算器基本结构：由以下四部分构成

ALU（算数逻辑单元）：运算器中造价最为高昂的部分，本质是一对电路ACC（累加器）：辅助ALUMQ（乘商寄存器）：辅助ALUX（操作数寄存器）：辅助ALU

B：运算器过程伪代码描述（了解）

设M为主存中的某一个存储单元，(M)表示取M中的数据，->表示将内容送入寄存器

加法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入操作数寄存器X，即(M)->X；然后两者相加重新送入寄存器ACC中，即(ACC)+(M)->(ACC)

乘法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入乘商寄存器MQ作为乘数，即(M)->MQ，再取ACC寄存器的内容放入X寄存器作为被乘数，即ACC->X，接着将ACC清零，即0->ACC，然后乘数乘以被乘数，一个送入乘积高位，一个送入乘积低位，即(X)×(MQ)->ACC//MQ

除法实现：假设ACC中已经存在一个数，首先取M的内容送入X作为除数，即(M)->X，ACC中的内容作为被除数，结果一个放入MQ作为整数部分，即(ACC)/(X)->MQ，另一个放入ACC作为余数，即(ACC)%(X)->ACC

（3）控制器（第四章重点学习）

运算器：是计算机的指挥中心，由其指挥各部件自动协调地进行工作

A：指令

指令：是指指挥机器工作的指示和命令。程序本质就是一系列按照一定顺序排列的指令。人们用程序表达自己的意图，控制器则通过指令指挥机器工作。指令=操作码+地址码

操作码：指示计算机要干什么地址码：干这些事情需要的原材料在哪里

、

B：控制器基本结构

控制器基本结构：由以下三部分构成

控制单元（CU）：分析指令、发出信号、协调操作指令寄存器（IR）：存放当前要执行的指令。注意其内容来源于MDR，因为指令和数据本质是一样的，都被存放在存储器程序计数器（PC）：存放当前要执行的指令地址。注意其与MAR直接连通，并且可以自动+1

C：控制器过程伪代码描述（了解）

完成一条指令的过程为：取指令（PC）->分析指令（IR）->执行指令（CU）

具体过程：首先取出指令，即(IR)，接着获取指令的操作码，即OP(IR)，然后获取指令的地址码，即AD(IR)，然后将操作码送入控制单元分析，即OP(IR)->CU，操作码表示需要干什么，但是干活需要原材料，所以再把指令的地址码送入MAR，AD(IR)->MAR,从MAR指示的存储体取出原材料即可。

结合前面的加法，我们可以写出完整的加法运算的过程的： 首要取加法指令，而指令存储在存储体中，想要取出指令必须要知道的指令的地址，而这个地址就存放在PC中，PC又和MAR直接相连，即(PC)->MAR，于是指令此时被放入了MDR中，那么接着将指令放入IR中，即(MDR)->IR,接着取指令的操作码送入控制单元，即OP(IR)->CU，然后再把原材料（就是一些操作数）的地址码送入MAR，即AD(IR)->MAR。接着就可以进行加法操作了，由于上一步已经将操作数的地址码送入了MDR中，所以现在送入操作数寄存器，即(MDR)->X，然后(ACC)+(X)->ACC，最后PC要自增，即(PC)+1->PC，表示下一条指令

精华总结：计算机的工作过程

接下来以一段简单的C语言代码为例展示计算机在背后所做的工作

以下程序非常简单，声明了4个变量并赋值，然后在main函数内进行运算

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

经过编译器编译后，这段程序在主存中就是这样的

下半部分是定义的变量，上半部分则是对应于高级语言对应的机器指令

为了方便演示，我们将控制器、运算器和存储体也放在旁边

第一组

1：程序开始运行，PC的值为0，保存的是第一条指令的地址。然后将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=0。也就是说控制器向存储器指明，我接下来要访问主存0号地址处的数据，同时告诉存储器进行读操作

2+3：主存储器会根据MAR记录的地址信息，到存储体中找出0号地址对应的二进制数据，并将其放入到MDR中，此时MDR中存放了第一条指令。即M(MAR)->MDR，此时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当前要执行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000001 0000000101

5：这条指令的前6个比特位是操作码，会被送入到控制单元CU中，CU分析后，得知这是一条取数命令。即OP(IR)->CU

6：取数指令会将变量a的内容放入寄存器ACC中。但是现在变量a不知道在哪里，所以现在会把指令的地址码送到MAR当中，即(MAR)=5

7+8：接着主存储器根据MAR指明的地址，也就是a的地址（5），去存储体中找出5号地址的数据，并将其放入MDR当中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000010，也即(MDR)=2

9：接着在控制单元的指挥下，MDR中的数据就被放入到了ACC中。至此第一条指令完成

10：最后PC自增1，进行下一条指令，即(PC)=1

接下来进行下一组操作

1：程序接着运行，PC的值为1，保存的是第二条指令的地址。然后将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=1。也就是说控制器向存储器指明，我接下来要访问主存1号地址处的数据，同时告诉存储器进行读操作

2+3：主存储器会根据MAR记录的地址信息，到存储体中找出1号地址对应的二进制数据，并将其放入到MDR中，此时MDR中存放了第二条指令。即M(MAR)->MDR，此时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当前要执行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000100 0000000110

5：这条指令的前6个比特位是操作码，会被送入到控制单元CU中，CU分析后，得知这是一条乘法命令。即OP(IR)->CU

6：接着把指令的地址码送到MAR当中，即(MAR)=6

7+8：接着主存储器根据MAR指明的地址，也就是b的地址（6），去存储体中找出6号地址的数据，并将其放入MDR当中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000011，也即(MDR)=3

9：由于是乘法，所以控制单元将MDR中的内容送入到乘商寄存器MQ中，即(MDR)->MQ，此时(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告诉ALU，让其进行乘法运算。即(MQ)×(X)->ACC,(ACC)=6。注意如果乘积过大，需要MQ辅助存储，也就是最上面讲到过的(X)×(MQ)->ACC//MQ

接着进行下一组操作，具体过程就不详细演示了，步骤如下

1:PC存储2号指令的地址，(PC)->MAR,(MAR)=22+3:M(MAR)->MDR,(MDR)=000011 00000001114:(MDR)->IR，(IR)=000011 00000001115:OP(IR)->CU,CU分析操作码，得知这是加法执行6:Ad(IR)->MAR，将指令的地址码送入MAR,(MAR)=77+8:M(MAR)->MDR，(MDR)=00000000 00000001=19:(MDR)->x,(X)= 00000000 00000001=110:(ACC)+(X)->ACC,(ACC)->7，由ALU实现加法运算

接着进行下一组操作

1:(PC)->MAR,(MAR)=32+3:M(MAR)->MDR,MDR=000010 00000010004:(MDR)->IR,(IR)000010 0000001000**5:**OP(IR)->CU,CU分析得知，这是存数指令6:AD(IR)->MAR,(MAR)=87+8:(ACC)->MDR,MDR=79:(MDR)->地址为8的存储单元，导致y=7

最后再读取到停机指令时，计算机通过中断机制就结束了程序的运行

(王道计算机组成原理)第一章计算机系统概述-第二节：计算机硬件组成(存储器 运算器和控制器概述及计算机工作过程详解)