計算機結(jié)構(gòu)

7.1 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

7.1.1 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的組成部分

（1）輸入、輸出設(shè)備

1）輸入設(shè)備：向計算機輸入數(shù)據(jù)，比如，

·通過攝像頭、MIC，將圖像/聲音等轉(zhuǎn)成二進制數(shù)據(jù)給計算機

·從網(wǎng)卡輸入數(shù)據(jù)給計算機等

·其它

2）輸出設(shè)備：從計算機輸出數(shù)據(jù)，比如，

·通過顯示器、揚聲器，將二進制數(shù)據(jù)翻譯稱為圖片/視頻/聲音等供人能夠識別

·或者通過網(wǎng)卡輸出數(shù)據(jù)給別的計算機

·其它

（2）存儲器：存儲程序和數(shù)據(jù)

（3）運算器：進行算術(shù)運算和邏輯運算

（4）控制器：解釋程序指令，將程序指令轉(zhuǎn)為對應(yīng)的一條一條的微指令，這些微指令會控制運算器等部件工作，進行比如，

·數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運算

·數(shù)據(jù)的搬移，比如從CPU的寄存器搬移到內(nèi)存，或者從內(nèi)存的某個位置搬移到內(nèi)存的另一個位置。

·等等

7.1.2 結(jié)構(gòu)圖

7.2 哈佛結(jié)構(gòu)

與馮諾·依曼結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的是哈佛結(jié)構(gòu)，我們會在后面詳細講解這兩種結(jié)構(gòu)之間的異同和優(yōu)缺，為了便于講解的方便，這邊還是以經(jīng)典的馮諾·依曼結(jié)構(gòu)為例，進行計算機組成結(jié)構(gòu)的介紹。

7.3 詳細結(jié)構(gòu)

7.3.1 詳細結(jié)構(gòu)圖（PC）

7.3.2  各部分簡述

計算機的詳細組成總體上可以分為三大部分，CPU，總線與接口、外部設(shè)備，核心部分主要就是cpu/總線，外部設(shè)備總體上分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，而核心部分與外部設(shè)備通過接口連接。

（1） cpu

1）運算器

（a）作用：根據(jù)指令要求，對數(shù)字電信號的二進制數(shù)據(jù)，進行算術(shù)運算和邏輯運算，

（b）運算器組成

·ALU：Arithmetic Logic Unit，算術(shù)運算單元，進行算數(shù)運算和邏輯運算

·（通用）寄存器組：用于存放ALU在進行算術(shù)/邏輯運算時，運算過程中涉及到的一些中間值和計算結(jié)果值。

·乘商寄存器：專門用于存放乘法和除法運算中間值和結(jié)果值。

·CVZS：各種ALU運算需要用到的標志位

C：進位、借位標志，如果有進位或者借位，C=1，否則C=0。

Ｃ的應(yīng)用舉例：請寫匯編代碼計算13208　+　34535相加后的值。

答：為了便于編程時好理解，我們先將這兩個二進制的數(shù)，轉(zhuǎn)為16進制，即OX3398+0X86E7。

匯編實現(xiàn)這兩個數(shù)的相加的大致步驟如下圖所示。

總結(jié)：從這個例子就可以看出，C進位/借位標志位的作用，有關(guān)借位作用同理，就不再贅述。如果你想了解跟多，我們在  后面嵌入式技術(shù)課程中，在講有關(guān)匯編時，還會將這方面的內(nèi)容。當然我們這里在強調(diào)一點，我們學習匯編并不是為了

使用會變來進行開發(fā)，而是通過匯編理解計算機的工作原理。

有些同學說，我用C語言的等高級語言寫代碼，這些標志位也會用的上嗎，也會用得上，百年一起在編譯時，C語言會被翻譯為匯編，翻譯為匯編后，進行加法的算術(shù)運算時，同樣會按照同樣的方式使用C進/借位標志位。

Z：運算結(jié)果是否為零標志，如果結(jié)果為0，Z=1，否者Z=0。

應(yīng)用舉例：比較兩數(shù)是否相等，比如a=3，b=3，判斷兩數(shù)是否相等，寫成匯編程序的話，實際上就是將兩數(shù)相減(算術(shù)運算)，

如果Z=1表示a和b的值相等，否則不相等。

V：溢出標志，有溢出，V=1，V=0

（1）什么是溢出

比如一個32位的寄存器，只有32位，所能裝的二進制的數(shù)的最大情況就是32個1,即11111111 11111111 11111111 11111111，如果再往里面加一個1的話，就向33為進1了，但是寄存器只有32為，不存在33為，溢出的哪個1不存在了，寄存器中的32個bit，全部是0，即00000000 00000000 00000000 00000000，因此溢出回事數(shù)值發(fā)生巨大突變，在真實的計算機中，溢出會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的值發(fā)生錯誤，導(dǎo)致計算結(jié)果產(chǎn)生很大的問題。

（2）為什么要檢查溢出

從上面的描述中，不難看出，溢出的檢查很有意義，通過基礎(chǔ)標志V的檢查，就可以知道數(shù)據(jù)有無溢出，如果沒有溢出證明數(shù)據(jù)是沒問題的，否者數(shù)據(jù)的值可能存在問題，需要做相應(yīng)的處理。

高級語言，比如C語言實現(xiàn)兩個很大數(shù)計算時，如果數(shù)據(jù)計算機結(jié)果因為太大而溢出，當你使用這個溢出的數(shù)據(jù)時，會有溢出提醒，這個溢出提醒就是通過，C語言程序被編譯后的匯編程序，檢查V這個溢出標志位得到的，我們在后面將C語言時，還會講到有關(guān)溢出事情。

S：有時用是N，當兩個有符號數(shù)進行運算時，S=1表示運算的結(jié)果為負數(shù)，S=0表示運算的結(jié)果為正數(shù)或零。

應(yīng)用舉例：比較a、b兩數(shù)的大小，寫成程序的話，我們會讓兩個數(shù)進行減法減法運算，如果S=1，表示是一個負數(shù)，說明a<b，如果S=0，說明a等于或者大于b，這個時候需要在查詢Z標志位，如果Z標志位為1，表示a等于b，否者說明a小于b。

2）cpu的控制器

（a）作用：最重要的功能就是對指令進行譯碼，然后將指令轉(zhuǎn)成微指令，再由微指令控制計算機工作，比如    

· 控制ALU，讓ALU進行數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運算

· 進行數(shù)據(jù)的移動，比如從CPU的寄存器移到內(nèi)存中，或者從內(nèi)存的某個位置搬移到內(nèi)存的另一個位置。    

· 等等

（b）控制器組成

· 程序計數(shù)器（PC）：Program Counter，程序最開始運行時，PC里面放的是程序第一條指令在內(nèi)存中所在的地址，每運行一

條指令，PC里面的地址就會加1,指向下一個指令，如果一個指令的存放需要4個字節(jié)，pc中的地址加1，實際上加的是4個字節(jié)。

· 指令寄存器（IR）：Instruction Register，臨時存放從內(nèi)存中取得的，即將要被解釋運行的指令，指令由兩部分組成，

- 第一部分：操作碼，指明計算機需要執(zhí)行一個什么樣的動作，比如有些操作碼表示做加運算，有些表示要進行數(shù)據(jù)搬移。

- 第二部分：地址碼，

+ 直接是要被操作碼操作的數(shù)

+ 要被操作的數(shù)在內(nèi)存中所在的地址。

    MOV

偽指令  101001 1001010101

       操作碼  地址碼

· 指令譯碼器（ID）：Instruction Decoder，解釋指令，解釋指令的過程為，

- 第一步：檢查指令的格式是否合法，是否夾有非法字符、或者非法詞組，有的話，譯碼將不會通過

- 第二步：如果指令被檢查合格了，會提取出操作碼，將操作碼翻譯為微指令，控制計算機各部分，按照操作碼的要求做事

· 控制存儲器：用于存放微指令程序（或稱微程序），每一操作碼都對應(yīng)著一個自己的微指令程序，控制存儲器中存放著所有操作碼

所對應(yīng)的微指令程序。

比如MOV（加運算）操作碼，就有自己的微指令程序，微指令程序是由一條條的微指令構(gòu)成的，在出廠時，這些微指令程序就被

固化在了控制存儲器中。

· 微指令寄存器：用于臨時存放微指令

（2）總線與io接口

總線與接口的作用就是，將CPU和外部設(shè)備連接在一起。-----

1）三大高速總線

（a）作用：高速通信線路，屬于CPU的高速公路

· 地址總線：傳輸?shù)刂沸盘?，比如通過傳輸?shù)刂沸盘?，找到要操作的?nèi)存單元等  

· 控制總線：傳輸控制信號

通過地址總線傳輸?shù)牡刂沸盘?，找到?nèi)存的某位置了，接下來到底是往里面寫數(shù)據(jù)呢，還是從里面讀數(shù)據(jù)呢，那就

要看具體的“指令”了，如果是寫指令，指令經(jīng)過譯碼器的譯碼后，會被轉(zhuǎn)為微指令，微指令會通過控制總線，向內(nèi)存發(fā)

控制信號，表示說，我希望向該內(nèi)存位置寫數(shù)據(jù)。

· 數(shù)據(jù)總線：傳輸數(shù)據(jù)信號

比如通過地址信號找到內(nèi)存的某個位置了，控制總線也發(fā)出了寫的控制信號，希望對該空間寫數(shù)據(jù)，那么寫數(shù)據(jù)時，就需要

通過數(shù)據(jù)總線向該內(nèi)存空間傳輸數(shù)據(jù)信號的，內(nèi)存收到這個數(shù)據(jù)信號后，會將該數(shù)據(jù)信號鎖存到該內(nèi)存空間中，那么這樣就實現(xiàn)了

寫數(shù)據(jù)的過程。

（b）三大高速總線是分開的

三大高速總線其實是可以合在一起的，但是合成一個的話會忙不過來的，通信的速率會非常低，分成三條總線就好比將高速公

路分成三個車道，不同車走不同的車道，互不相干，效率自然就高。

（c）三大高速總線是并行通信的

使用并行通信的目的也是為了條通信效率。

（d）三大高速總線所處位置  -------

三大高速總線位于CPU的內(nèi)部，通過CPU芯片的引腳與外部的IO橋連接在一起。

2）IO接口

（a）作用：負責連接各種的輸入、輸出外部設(shè)備

（b）每一個設(shè)備都會有屬于自己的IO接口

（c）io接口也有地址、數(shù)據(jù)、控制三大線，

· io接口的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線，大多數(shù)情況都是串行通信的，而且往往是復(fù)用的

比如USB通信，usb使用的就是串行通信的，常見的USB2.0有4根線，其中有兩根線，一個是正極電源線，另一個負極電源線，

其它兩根線被復(fù)用當作地址線、數(shù)據(jù)線、控制線使用。

· 不過內(nèi)存是一個特例，為了能夠提高內(nèi)存的訪問速度，內(nèi)存io接口的地址、數(shù)據(jù)、控制線都是獨立的，并且使用的是并行通信。

（d）后面的linux驅(qū)動課程，主要涉及的就是IO接口相關(guān)的內(nèi)容

linux驅(qū)動就是講如何通過編寫驅(qū)動程序，去控制這些IO接口，實現(xiàn)與外部設(shè)備的通信，有關(guān)IO接口這一塊的知識，我們會在后面的

linux驅(qū)動技術(shù)課程部分詳細講解，所以，io接口是后面Linux驅(qū)動課程的核心內(nèi)容。

（e）io接口所處的位置

· 在芯片的外部：比如pc機（個人電腦），所有IO接口基本都是在CPU芯片的外部      

· 集成在芯片內(nèi)部：比如像單片機，雖然有一部分也是在芯片外部，但是有很大部分IO接口是被直接集成于在了芯片的內(nèi)部。

3）IO橋

（a）并不是計算機都需要IO橋

IO橋是PC機特有的，除了PC外的其它類的計算機，有些（單片機）就不使用IO橋。---------------

（b）為什們會使用IO橋

其實是可以不使用IO橋的，沒有IO橋時，所有的“IO接口”都是直接掛接在三大高速總線上的，但是隨著發(fā)展，掛接的外部

設(shè)備越來越多，直接掛接在總線上，管理是一個麻煩，為了管理的便利，就加了IO橋，IO接口直接掛接在IO橋上，就由IO橋

來管理眾多的IO接口。

（c）IO橋常常分為南橋和北橋

南橋?qū)?yīng)的就是一個南橋芯片，北橋?qū)?yīng)的就是一個北橋芯片，南北橋之間會有相互連接。 -----------

· 南橋：負責CPU與鼠標、鍵盤、磁盤等，通信速率較低的外部設(shè)備之間的通信。

· 北橋：負責CPU與內(nèi)存、顯示器等，通信速率要求較高的外設(shè)之間的通信。

（d）io橋所處的位置

io橋指的就是南橋和北橋芯片，位于CPU芯片的外部。

4）地址、數(shù)據(jù)、控制線相互配合工作

（a）例子：將內(nèi)存中地址0101字節(jié)的內(nèi)容讀出，寫到CPU通用寄存器R0(地址為1001)中，假設(shè)寄存器R0只有一個字節(jié)。

步驟：

第一大步：從內(nèi)存0101的字節(jié)，讀出數(shù)據(jù)

（1）cpu通過地址線發(fā)出0101這個地址信號，內(nèi)存的0101對應(yīng)的字節(jié)會被選中

（2）cpu解釋并執(zhí)行“讀指令”，發(fā)出“讀”的控制信號

通過控制線發(fā)送“讀”控制信號后，之前被選中的0101字節(jié)，就被設(shè)置為了可讀，設(shè)置為可讀后，內(nèi)存0101字節(jié)中的數(shù)據(jù)2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2.5v（11001001）會被讀出，讀的過程，其實就是通過數(shù)據(jù)線將電信號導(dǎo)出，由于內(nèi)存的數(shù)據(jù)、地址、控制線是并行傳輸?shù)?，那么在并行?shù)據(jù)線上，此時擁有與2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2