01__冯诺依曼架构

1.冯诺依曼机的特点

冯诺依曼体系是将程序 指令和数据一起存储 的计算机设计概念结构

1. 计算机硬件系统由运算器、 存储器、 控制器、 输入设备和输出设备5大部件组成。

2. 指令和数据以 同等地位 存储在存储器中， 并可按地址寻访。

3. 指令和数据 均用 二进制代码表示。

4. 指令由操作码 和 地址码组成， 操作码用来表示操作的性质， 地址码用来表示操作数在存 储器中的位置。

5. 指令在存储器内按顺序存放。 通常 , 指令是顺序执行的， 在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

6. 早期的冯诺依曼机以运算器为中心， 输入／输出设备通过运算器与存储器传送数据。

2.硬件结构

2.1输入设备

输入设备 : 输入设备的主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入计算机。

2.2输出设备

输出设备 : 输出设备的任务是将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出。

2.3存储器

2.3.1存储器

存储器 : 存储器是计算机的存储部件，用来存放程序和数据。

• 存储器分为主存储器（简称主存，也称内存储器） 和 辅助存储器（简称辅存，也称外存储器）。
• CPU能够直接访问的存储器是主存储器。
• 辅助存储器帮助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能为CPU所访问。

2.3.2主存储器

• 主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含若干存储元件，每个存储元件存储一位二进制代码" 0"或"1"。 因此存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，称这串代码的位数为存储字长，存储字长可以是1Byte(8bit)或是字节的偶数倍。
• 主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式。

2.3.3存储体

• 存放二进制信息
• 由存储单元构成, 存储单元由存储元件构成

8 个元器件有$$2^8=256$$种不同的组合(一个内存单元可以表示0~255, 即256个数字)

16 个元器件有$$2^{16}=65536$$种不同的组合

单位换算

2.3.4地址寄存器(MAR)

地址寄存器, 存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。

MAR的位数对应着存储单元的个数，如MAR为10位，则有2¹⁰ = 1024个存储单元，记为1K。

• 一般地, 计算机内存地址为32位, 一个存储单元为1字节 , 则主存大小为 2³² 字节 = 2²² KB = 2¹² MB = 2² GB ， 最高地址为 $2^{32}-1$, 最小地址为0.

• MAR的长度与PC的字长相等。PC字长可知计算机支持的主存有多大.

• 注意MAR与MDR虽然是存储器的一部分，但在现代CPU中却是存在于CPU中的

• 另外，高速缓存(Cache)也在CPU中。

  

2.3.5数据寄存器(MDR)

​ 暂存要从存储器中读或写的信息

2.3.6时序控制逻辑

​ 用于产生存 储器操作所需的各种时序信号

2.4运算器

运算器 : 运算器是计算机的执行部件, 进行算术运算和 逻辑运算。

• 算术运算是按算术运算规则进行的运算， 如加、减、乘、除；

• 逻辑运算包括与、或、非、异或、 比较、移位等运算。

• 运算器中的寄存器如下 :

• 若干通用寄存器 X ， 用于暂存操作数和中间结果:
• 运算器的核心是算术逻辑单元(Arithmetic and Logical Unit, ALU)。
• 累加器(ACC)、乘商寄存器(MQ)、操作数寄存器(X)、变址寄存器(IX)、 基址寄存器(BR)
• 运算器内还有程序状态寄存器(PSW),也称标志寄存器

2.5控制器

控制器 : 控制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。

• 控制器由 程序计数器(PC)、 指令寄存器(IR ) 和 控制单元 (CU) 组成。

• PC 用来存放当前欲执行指令的地址， 可以自动加1以形成下一条指令的地址， 它与主存的MAR 之间有一条直接通路。

• IR 用来存放当前的指令， 其内容来自主存的MDR。

• 指令中的操作码 OP(IR) 送至 CU, 用以分析指令并发出各种微操作命令序列；而地址码 Ad(IR) 送往MAR, 用以取操作数。

3.改良

随着微电子技术的进步， 同时计算机需要处理、 加工的信息量也与日俱增，I/0设备 的速度和CPU的速度差距悬殊，因此以运算器为中心的结构不能够满足计算机发展的要求。

现代计算机已发展为以存储器为中心，使I/0操作尽可能地绕过CPU, 直接在I/0设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率

• 经典:

• 改进 :