计算机基本硬件的内部结构

news2025/1/21 1:05:40

1.早期冯·诺依曼机结构

世界上第一台计算机ENIAC是使用手动接线来控制计算，十分麻烦。

冯·诺依曼提出“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（内存），然后按照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。

于是第一台采用冯·诺依曼结构的计算机EDVAC诞生了，接下来让我们看看具体的冯·诺依曼计算机结构图（实线为数据线、虚线为控制线或反馈线）：

在这里插入图片描述

输入设备将信息转化为机器能识别的形式，然后通过运算器的中转存入存储器，需要用到数据和程序时，就要经过运算器中转到输出设备，得出计算结果，而整个过程都是由控制器使用电信号来进行指挥的，另外这个控制器也会负责解析存储器里的存储指令。

另外，对于计算机系统来说，软件和硬件在逻辑上是等效的，例如：可以专门制作出一个乘法硬件（硬件），也可以利用现有的加法硬件实现乘法（软件）

冯·诺依曼计算机的特点：

  1. 计算机由五大部件组成

  2. 指令和数据化以同等地位存储在存储器里，可按地址寻址

  3. 指令和数据使用二进制表示。其中指令组成：操作码（指明指令的操作）、地址码（指明操作数据的内存地址）有的计算机指令采用多个地址码

  4. 整个体系以运算器为中心，以运算器为中转站，这样会导致数据计算效率降低（比如：输入设备本来是可以直接交给存储器的，但是却交给了运算器）

2.现代计算机体系结构

现代计算机有几个很不一样的特点

  1. 以存储器为中心

  2. 通常控制器和运算器被集成为一个CPU

在这里插入图片描述

因此我们可以改写一下结构，让这个体系变得更加模块化：
在这里插入图片描述

3.计算机硬件内部结构（现代）

3.1.主存储器

主存储器里用于存放数据的东西叫存储体

在这里插入图片描述

  1. 存储体内部可以分为一个一个“存储单光”，并且根据地址总线进行编址

  2. 每一个存储单元存储的二进制数据组合我们称为“存储字（word）”

  3. 存储单元存放二进制的最大长度称为“字长”，一般是8的整数倍。

  4. 用于存储二进制的电子元件简称“存储元”，利用电容的原理，每个存储元可存1bit，而存储单元由若干个存储元构成

主存储器内部还有两个寄存器

  1. 分别是MAR（存储地址寄存器）、MDR（存储数据寄存器）

  2. 主存储器里的控制逻辑会根据MAR存储的地址查找主存储器里的数据，然后取出存放到MDR中，而CPU就可以从这里拿走数据。

  3. 同理，CPU写入主存储器的方式也和读取类似：CPU想要写入的对应地址放在MAR里，想要写入的数据放在MDR里，最后通过控制总线告诉主存储器本次为写操作。

MAR是里有指向存储单元的地址，因此MAR反映存储单元的个数

MDR是有由要存储到MAR指向地址的数据内容，反映存储单元的存储字长

3.2.运算器

运算器是用于实现算术运算和逻辑运算的，内部有：

  1. ACC累加器：实际是一个寄存器，用于存放操作数或运算结果

  2. MQ乘商寄存器：在乘、除运算的时候，用于存放操作数或运算结果

  3. X通用寄存器：通用的操作数寄存器，用于存放操作数

  4. ALU算术逻辑单元：通过内部复杂的电路实现算术运算、逻辑运算，是运算器的核心部件，制作成本也是最高的。

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
X加数减数被乘数除数

在这里插入图片描述

乘积的高位表示了乘法结果的较高位数部分，而乘积的低位表示了较低位数部分。

3.3.控制器

控制器内部有：

  1. CU控制单元（Control Unit）：分析指令，给出控制信号，内部有很复杂的电路，是控制器内最核心的部件

  2. IR指令寄存器（Instruction Register）：本质是一个寄存器，存放当前执行的指令

  3. PC程序计数器（Program Counter）：本质是一个寄存器，存放下一条指令地址，有自动+1的功能

在这里插入图片描述

在控制器内部的工作逻辑是：PC取得指令->IR分析指令->CU执行指令，前面两个过程为“取指阶段”，后面一个过程为“执行阶段”

4.计算机硬件协调流程（现代）

下面是高级语言C语言的一段代码：

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

接下来让我们看看这段代码在计算机硬件中运作流程：

在这里插入图片描述

4.1.执行指令0

  1. (PC)=0,(PC)++：CPU内部的PC存储的是下一条指令的地址，因此PC=0，即：PC存储了第一条指令的代码地址，在执行后续的步骤后PC自动+1（PC是程序计时器，可以存放下一条指令地址，有自动+1的功能）

  2. (PC)->MAR,(MAR)=0,(MAR)->存储体->MDR,(MDR)=0000 01|00 0000 0101：PC将指令地址交给MAR，MAR通过这个指令地址在存储体内部查找指令数据，存储到MDR中

  3. (MDR)->IR：从MDR得到的指令数据存放到IR中（IR负责存放当前执行的指令）

  4. (IR)->CU,(IR)->MAR,(MAR)->存储体->MDR,(MDR)=0000 0000 0000 0010=2：而在当前要执行的指令中，前六位0000 01操作码会被送到CU分析，得知这是“取数d到ACC”的命令，后10位代表这个数的地址在主存储器存储体的5处。因此IR把后续的10位交给MAR，MAR再去存储体内找主存地址5处的a的数据0000 0000 0000 0010=2存入MDR中（CU控制单元负责分析指令，给出控制信号）

  5. (MDR)->ACC：因此0000 0000 0000 0010=2被拷贝到IR内部，然后CU控制MDR送到ACC里

4.2.执行指令1

根据“4.1.执行指令0”中的步骤1，OP(PC)=1，(ACC)=2，然后就会发生：

  1. (PC)=1,(PC)->MAR,(MAR)=1,(MAR)->存储体->MDR,(MDR)=0000 01|00 0000 0101,(PC)++：PC内部存储了当前要第二条指令的地址，在执行了后续的步骤了+1，然后MAR得到的指令地址是“1”，传递给MAR后，MAR在存储体中找到指令0000 01|00 0000 0101

  2. (MDR)->IR,(IR)->CU,(IR)->MAR,(MAR)->存储体->MDR,(MDR)=0000 0000 0000 0011=3：接下来MDR将内部的指令传给IR，IR交给CU分析后得知前六位0001 00为“乘法操作，将ab并且存储到ACC中” ，后10位00 0000 0101为操作数地址，于是这个地址就被IP传给MAR在存储体中找到并且存储给MDR

  3. (MDR)->MQ,(MQ)=0000 0000 0000 0011=3：接下来CU控制MDR内部的数据拷贝到MQ（MQ乘商寄存器：在乘、除运算的时候，用于存放操作数或运算结果，这里是存储了乘数b）

  4. (ACC)->X,(X)=0000 0000 0000 0010=2,ALU->(X)*(MQ)->ACC,(ACC)=6：CU控制ACC里的值拷贝到通用寄存器X里，然后控制ALU把通用寄存器X里的值和乘商寄存器MQ里的值相乘，然后存储到ACC中（如果乘积太大，MQ也会辅助存储，存储的是乘积低位，ACC那边则是乘积高位）

4.3.执行指令2

根据“4.2.执行指令1”中的步骤1，OP(PC)=2，(ACC)=6，然后就会发生：

  1. (PC)->MAR,(MAR)=2,(MAR)->存储体->MDR,(MDR)=0000 11|0000 0000 0000 0111,(PC)++：PC将指令地址拷贝给MAR，MAR在存储体内查找到指令，拷贝给MDR，然后PC内部的计时器+1，存储了指向下一条指令的地址

  2. (MDR)->IR,(IR)->CU,(IR)->MAR,(MAR)=0000 0000 0000 0111=7,(MAR)->存储体->MDR,MDR=0000 0000 0000 0001=1：MDR内部的指令值拷贝给IR，IR传递给CU分析指令，得知0000 11为“加法指令ab+c，并且最终存储在ACC中”，于是CU控制IR剩下的0000 0000 0000 0111，传递给MAR，MAR在存储体内找到指令数据0000 0000 0000 0001，传递给MDR

  3. (MDR)->X,(x)=0000 0000 0000 0001=1,ALU->(ACC)+(X)->ACC：然后MDR将内部数据拷贝到通用寄存器X内，接下来控制单元CU向ALU发生信号，让X和ACC里的值相加，最后存储到ACC内部

4.4.执行指令3

根据“4.3.执行指令3”中的步骤1，OP(PC)=3，(ACC)=7，然后就会发生：

  1. (PC)->MAR,(MAR)=3,(MAR)->存储体->MDR,(MDR)=0000 10|0000 0000 0000 1000,(PC)++

  2. (MDR)->IR,(IR)->CU,(IR)->MAR,(MAR)=0000 0000 0000 1000=8,(MAR)->存储体->MDR,MDR=0000 0000 0000 0000=0

  3. (ACC)=7,(ACC)->MDR,(MDR)=7,(MAR)=0000 0000 0000 1000=8：这里就有个地方需要注意，CU控制了ACC寄存器的值拷贝到MDR，此时MAR也有y变量的主存地址，此时CU再控制MAR和MDR把ab+c存入y中

4.5.执行指令4

根据“4.4.执行指令4”中的步骤1，OP(PC)=4，然后像上面一样类似的流程，取得000110停机指令，接下来就会执行操作系统的相关指令了，这后面的我们不再讨论。

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