计算机结构

7.1 冯·诺依曼结构

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7.1.1 冯·诺依曼结构的组成部分

（1）输入、输出设备

1）输入设备：向计算机输入数据，比如，

·通过摄像头、MIC，将图像/声音等转成二进制数据给计算机

·从网卡输入数据给计算机等

·其它

2）输出设备：从计算机输出数据，比如，

·通过显示器、扬声器，将二进制数据翻译称为图片/视频/声音等供人能够识别

·或者通过网卡输出数据给别的计算机

·其它

（2）存储器：存储程序和数据

（3）运算器：进行算术运算和逻辑运算

（4）控制器：解释程序指令，将程序指令转为对应的一条一条的微指令，这些微指令会控制运算器等部件工作，进行比如，

·数据的算术、逻辑运算

·数据的搬移，比如从CPU的寄存器搬移到内存，或者从内存的某个位置搬移到内存的另一个位置。

·等等

7.1.2结构图

7.2 哈佛结构

与冯诺·依曼结构相对应的是哈佛结构，我们会在后面详细讲解这两种结构之间的异同和优缺，为了便于讲解的方便，这边还是以经典的冯诺·依曼结构为例，进行计算机组成结构的介绍。

7.3 详细结构

7.3.1 详细结构图（PC）

7.3.2  各部分简述

计算机的详细组成总体上可以分为三大部分，CPU，总线与接口、外部设备，核心部分主要就是cpu/总线，外部设备总体上分为输入设备和输出设备，而核心部分与外部设备通过接口连接。

（1） cpu

1）运算器

（a）作用：根据指令要求，对数字电信号的二进制数据，进行算术运算和逻辑运算，

（b）运算器组成

·ALU：Arithmetic Logic Unit，算术运算单元，进行算数运算和逻辑运算

·（通用）寄存器组：用于存放ALU在进行算术/逻辑运算时，运算过程中涉及到的一些中间值和计算结果值。

·乘商寄存器：专门用于存放乘法和除法运算中间值和结果值。

·CVZS：各种ALU运算需要用到的标志位

C：进位、借位标志，如果有进位或者借位，C=1，否则C=0。

Ｃ的应用举例：请写汇编代码计算13208　+　34535相加后的值。

答：为了便于编程时好理解，我们先将这两个二进制的数，转为16进制，即OX3398+0X86E7。

汇编实现这两个数的相加的大致步骤如下图所示。

总结：从这个例子就可以看出，C进位/借位标志位的作用，有关借位作用同理，就不再赘述。如果你想了解跟多，我们在  后面嵌入式技术课程中，在讲有关汇编时，还会将这方面的内容。当然我们这里在强调一点，我们学习汇编并不是为了

使用会变来进行开发，而是通过汇编理解计算机的工作原理。

有些同学说，我用C语言的等高级语言写代码，这些标志位也会用的上吗，也会用得上，百年一起在编译时，C语言会被翻译为汇编，翻译为汇编后，进行加法的算术运算时，同样会按照同样的方式使用C进/借位标志位。

Z：运算结果是否为零标志，如果结果为0，Z=1，否者Z=0。

应用举例：比较两数是否相等，比如a=3，b=3，判断两数是否相等，写成汇编程序的话，实际上就是将两数相减(算术运算)，

如果Z=1表示a和b的值相等，否则不相等。

V：溢出标志，有溢出，V=1，V=0

（1）什么是溢出

比如一个32位的寄存器，只有32位，所能装的二进制的数的最大情况就是32个1,即11111111 11111111 11111111 11111111，如果再往里面加一个1的话，就向33为进1了，但是寄存器只有32为，不存在33为，溢出的哪个1不存在了，寄存器中的32个bit，全部是0，即00000000 00000000 00000000 00000000，因此溢出回事数值发生巨大突变，在真实的计算机中，溢出会导致数据的值发生错误，导致计算结果产生很大的问题。

（2）为什么要检查溢出

从上面的描述中，不难看出，溢出的检查很有意义，通过基础标志V的检查，就可以知道数据有无溢出，如果没有溢出证明数据是没问题的，否者数据的值可能存在问题，需要做相应的处理。

高级语言，比如C语言实现两个很大数计算时，如果数据计算机结果因为太大而溢出，当你使用这个溢出的数据时，会有溢出提醒，这个溢出提醒就是通过，C语言程序被编译后的汇编程序，检查V这个溢出标志位得到的，我们在后面将C语言时，还会讲到有关溢出事情。

S：有时用是N，当两个有符号数进行运算时，S=1表示运算的结果为负数，S=0表示运算的结果为正数或零。

应用举例：比较a、b两数的大小，写成程序的话，我们会让两个数进行减法减法运算，如果S=1，表示是一个负数，说明a

2）cpu的控制器

（a）作用：最重要的功能就是对指令进行译码，然后将指令转成微指令，再由微指令控制计算机工作，比如    

· 控制ALU，让ALU进行数据的算术、逻辑运算

· 进行数据的移动，比如从CPU的寄存器移到内存中，或者从内存的某个位置搬移到内存的另一个位置。    

· 等等

（b）控制器组成

· 程序计数器（PC）：Program Counter，程序最开始运行时，PC里面放的是程序第一条指令在内存中所在的地址，每运行一

条指令，PC里面的地址就会加1,指向下一个指令，如果一个指令的存放需要4个字节，pc中的地址加1，实际上加的是4个字节。

· 指令寄存器（IR）：Instruction Register，临时存放从内存中取得的，即将要被解释运行的指令，指令由两部分组成，

- 第一部分：操作码，指明计算机需要执行一个什么样的动作，比如有些操作码表示做加运算，有些表示要进行数据搬移。

- 第二部分：地址码，

+ 直接是要被操作码操作的数

+ 要被操作的数在内存中所在的地址。

    MOV

伪指令  101001 1001010101

       操作码  地址码

· 指令译码器（ID）：Instruction Decoder，解释指令，解释指令的过程为，

- 第一步：检查指令的格式是否合法，是否夹有非法字符、或者非法词组，有的话，译码将不会通过

- 第二步：如果指令被检查合格了，会提取出操作码，将操作码翻译为微指令，控制计算机各部分，按照操作码的要求做事

· 控制存储器：用于存放微指令程序（或称微程序），每一操作码都对应着一个自己的微指令程序，控制存储器中存放着所有操作码

所对应的微指令程序。

比如MOV（加运算）操作码，就有自己的微指令程序，微指令程序是由一条条的微指令构成的，在出厂时，这些微指令程序就被

固化在了控制存储器中。

· 微指令寄存器：用于临时存放微指令

（2）总线与io接口

总线与接口的作用就是，将CPU和外部设备连接在一起。-----

1）三大高速总线

（a）作用：高速通信线路，属于CPU的高速公路

· 地址总线：传输地址信号，比如通过传输地址信号，找到要操作的内存单元等  

· 控制总线：传输控制信号

通过地址总线传输的地址信号，找到内存的某位置了，接下来到底是往里面写数据呢，还是从里面读数据呢，那就

要看具体的“指令”了，如果是写指令，指令经过译码器的译码后，会被转为微指令，微指令会通过控制总线，向内存发

控制信号，表示说，我希望向该内存位置写数据。

· 数据总线：传输数据信号

比如通过地址信号找到内存的某个位置了，控制总线也发出了写的控制信号，希望对该空间写数据，那么写数据时，就需要

通过数据总线向该内存空间传输数据信号的，内存收到这个数据信号后，会将该数据信号锁存到该内存空间中，那么这样就实现了

写数据的过程。

（b）三大高速总线是分开的

三大高速总线其实是可以合在一起的，但是合成一个的话会忙不过来的，通信的速率会非常低，分成三条总线就好比将高速公

路分成三个车道，不同车走不同的车道，互不相干，效率自然就高。

（c）三大高速总线是并行通信的

使用并行通信的目的也是为了条通信效率。

（d）三大高速总线所处位置  -------

三大高速总线位于CPU的内部，通过CPU芯片的引脚与外部的IO桥连接在一起。

2）IO接口

（a）作用：负责连接各种的输入、输出外部设备

（b）每一个设备都会有属于自己的IO接口

（c）io接口也有地址、数据、控制三大线，

· io接口的地址线、数据线、控制线，大多数情况都是串行通信的，而且往往是复用的

比如USB通信，usb使用的就是串行通信的，常见的USB2.0有4根线，其中有两根线，一个是正极电源线，另一个负极电源线，

其它两根线被复用当作地址线、数据线、控制线使用。

· 不过内存是一个特例，为了能够提高内存的访问速度，内存io接口的地址、数据、控制线都是独立的，并且使用的是并行通信。

（d）后面的linux驱动课程，主要涉及的就是IO接口相关的内容

linux驱动就是讲如何通过编写驱动程序，去控制这些IO接口，实现与外部设备的通信，有关IO接口这一块的知识，我们会在后面的

linux驱动技术课程部分详细讲解，所以，io接口是后面Linux驱动课程的核心内容。

（e）io接口所处的位置

· 在芯片的外部：比如pc机（个人电脑），所有IO接口基本都是在CPU芯片的外部      

· 集成在芯片内部：比如像单片机，虽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内部。

3）IO桥

（a）并不是计算机都需要IO桥

IO桥是PC机特有的，除了PC外的其它类的计算机，有些（单片机）就不使用IO桥。---------------

（b）为什们会使用IO桥

其实是可以不使用IO桥的，没有IO桥时，所有的“IO接口”都是直接挂接在三大高速总线上的，但是随着发展，挂接的外部

设备越来越多，直接挂接在总线上，管理是一个麻烦，为了管理的便利，就加了IO桥，IO接口直接挂接在IO桥上，就由IO桥

来管理众多的IO接口。

（c）IO桥常常分为南桥和北桥

南桥对应的就是一个南桥芯片，北桥对应的就是一个北桥芯片，南北桥之间会有相互连接。 -----------

· 南桥：负责CPU与鼠标、键盘、磁盘等，通信速率较低的外部设备之间的通信。

· 北桥：负责CPU与内存、显示器等，通信速率要求较高的外设之间的通信。

（d）io桥所处的位置

io桥指的就是南桥和北桥芯片，位于CPU芯片的外部。

4）地址、数据、控制线相互配合工作

（a）例子：将内存中地址0101字节的内容读出，写到CPU通用寄存器R0(地址为1001)中，假设寄存器R0只有一个字节。

步骤：

第一大步：从内存0101的字节，读出数据

（1）cpu通过地址线发出0101这个地址信号，内存的0101对应的字节会被选中

（2）cpu解释并执行“读指令”，发出“读”的控制信号

通过控制线发送“读”控制信号后，之前被选中的0101字节，就被设置为了可读，设置为可读后，内存0101字节中的数据2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2.5v（11001001）会被读出，读的过程，其实就是通过数据线将电信号导出，由于内存的数据、地址、控制线是并行传输的，那么在并行数据线上，此时拥有与2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2