冯· 诺依曼体系结构 P32
一．功能部件
五大部分 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 以存储器为中心
二．信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一类存储器中，采用相同的访问电路。
三．工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编译链接生成的可执行程序(包括指令和数据) 保存在辅助 存储器中；程序开始运行时，计算机在不需要人工干预的情况 下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。 在冯· 诺依曼体系结构中， 内存属于存储器， 在 硬盘属于输入/输出设备
汇编（汇编程序）
指令是发送到CPU的命令，指示CPU执行一个特定的处理。 CPU可以处理的全部指令集合称为指令集。指令集结构（
ISA ）是体系结构的主要内容之一。ISA功能设计实际就是
确定软硬件的功能分配。
指令通常包含操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操 作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作数 指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。
程序存储
程序执行 体系结构 特点
接插线进行，程 序不存储
手工执行 无 第一台数字式电 子计算机
存储程序，指令驱动
程序控制的自动执行 冯· 诺依曼体系结构，是所有 现代计算机的原型和范本 第一台存储程序计算机
早期的计算机结构（无总线）
早期计算机各组成部分之间通过芯片引脚直接连接
模型机体系结构
基于总线的冯· 诺依曼架构模型机
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计算机组成
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计算机体系结构、组成及实现区分
【例1】 ① 确定是否有乘法指令属于 计算机体系结构 。 ② 乘法指令是用专门的乘法器实现，还是经加法器用重 复的相加和右移操作来实现，属于 计算机组成 。 ③ 乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定(器件集成 度、类型、数量、价格)及所用微组装技术等，属于 计算机实现
1. 2.
改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器 、高速总线/接口 改变：多种并行技术：流水线、超标量、多机/核、多线程
2.4 计算机体系结构分类 Flynn 2.5 计算机性能评测
字长、存储容量、运算速度
2.6 习题
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计算机执行C语言程序实现1+2求和功能
1.
指令举例
二进制操作码助记 符：与动作一一对 应
目/源操作数：
例：
MOV
R0，#2
；R0
;注释 R1+R2
ADD R0,R1,R2
操作码：由CPU设计人员定义，具有固定的写法和意义。
操作数：可由编程人员采用不同方式给出。
模型机工作原理
计算机的工作本质上就是执行程序的过程。
指令执行的基本过程可以分为取指令(fetch)、分析指令 (decode)和执行指令(execute)三个阶段。 ① 取指令
N个输入端的译码器可以输出2N个引脚
模型机内存储器
AB
CB DB

存储器用来存放当前的运行程序和数据 存储器组织由许多字节单元组成，每个单元都有一个唯一的编号（存储单 元地址），其中保存的信息称为存储单元内容 访问(读或写)存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相应的选通信号， 同时在控制信号的作用下读出存储单元内容到数据缓冲器，或将数据缓冲 器中的内容写入选定的单元
【例2】 ① 主存容量与编址方式(按位、按字节、按字访问等)的 确定属于 计算机体系结构 。 ② 为达到所定性能价格比，主存速度应多快，在逻辑结 构上需采用什么措施(如多体交叉存储等)属于 计算机组成 。 ③ 主存系统的物理实现，如存储器器件的选定、逻辑电 路的设计、微组装技术的选定属于 计算机实现 。
生成可执行程序过程
a) b) c)
分析问题并得到解决方法 编写源代码（sum.c，保存在硬盘上) 编译、链接得到可执行程序(sum.exe ，保存在硬盘上) 数据段（程序中定义的变量） 代码段（程序中的可执行语句） 可执行程序从硬盘加载到内存（加载方式：操作系统或硬件加载）：变 量加载到数据段，可执行语句加载到代码段，并把程序计数器（ PC）初 始化为代码段的首地址 CPU根据当前PC值从内存读取一条指令到CPU内部，并更新PC = PC + N(N为一条指令的长度） 分析该指令功能 执行该指令功能，然后跳转到步骤b)，直到程序最后一条指令
当程序已在存储器中时，首 先根据程序入口地址取出一 条程序，为此要发出指令地 址及控制信号
② 分析指令
即指令译码，是指对当前取 得的指令进行分析，指出它 要求什么操作，并产生相应 的操作控制命令。
取指令，P C 值加1
Y
PC值由操作系统初 始化为程序的入口 地址(c语言中是 main函数第一行)
停机 ?
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模型机总线结构
C P U
存储器 I/O接口 输入/输出设备 AB CB DB
按传输信息的不同，可将总线分为三类： 地址总线（AB） 、控制总线（CB）和数据总线（DB）

地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择读写对象(如 某个特定的存储单元或外部设备)； 数据总线用于数据交换，通常是双向的； 控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信号线(如是否 已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和控制。

总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各部件之间的数据、
信息等的传输和交换
CPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规模集成电路芯片
存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据
输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换
ARM寄存器：R0，R1，……，R15 x86寄存器: AX(AH,AL), BX(BH,BL), CX(CH,CL), DX(DH,DL)
1. 计算机体系结构是人眼看不见的东西，而计算机组成是人眼可 见的 2. 计算机组成是计算机的外部，是使用人员所关心的系统硬件指 标参数；而计算机实现是计算机的内部，是制造人员关心的内容
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3.
3. 相同体系结构(同系列)的计算机具有相同的结构和不同的组成。
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计算机体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley
模型机CPU子系统
地址总线AB
地址缓冲器 内部总线
数据总线DB
数据缓冲器
指令寄存器IR 时钟脉冲源
操作码 , 地址码
脉冲分配器 指令译码器ID 微操作控制电路
通用寄存器组 堆栈指针SP 程序计数器PC
输入1
输入2
算术逻辑单元ALU
结果寄存器
标志寄存器
控制器
控制总线PU读写存储器步骤
计算机系统层次结构 （P31、P39）
现代计算机是软件、硬件和网络组件的复杂综合体， 其基本功能包括信息的存储、处理和交换 2. 计算机功能通过软件实现还是硬件实现，取决于所需 的速度、灵活性、成本、可靠性、更新频率等因素 3. 软件实现：灵活，硬件简单，成本低，但是速度慢 硬件实现：速度快，灵活性差，硬件复杂，成本高 4. 软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如 RISC思想）、软件硬化（如CISC思想）、固件化（ 如微程序）技术 （同三种IP核对照理解） ； 5. 计算机划分层次的好处（P31）
第二章 计算机系统的结构组成与工作原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成
1. 2.
层次模型 Hierarchy 结构Architecture、组成Organization与实现Realization
2.2 计算机系统的工作原理
1. 2.
冯· 诺依曼计算机架构 模型机：系统结构、指令集、工作流程
2.3 计算机体系结构的改革
程序的执行过程
取指令、分析指令、执行指令
内存储器 内容 地址 1000H B0H 1001H 5CH 1002H 04H 1003H 2EH
汇编源代码
MOV ADD ACC，5CH ACC,ACC,2EH
AB
地 址 译 码
③
汇编链接 后的可执 ④ 行文件调 读控制 入内存储 器,PC DB 赋 值1000H
指令系统层（机器语言指令） 硬核 级
系统、 Web浏览器、设备驱动、中断服务程 操作系统虚拟机 操作系统层 序
机器语言级
微体系结构层 硬件系统：异常处理机构、指令系统、 微程序级 （微程序） CPU、存储器、I/O及通信子系统 数字逻辑层（硬件）
寄存器级（硬件）
（a）软硬件实现
（b）语言功能
(1)图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求解问题的 过程； (2)图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器。
3.
CPU写存储器步骤
① ② ③ ④
CPU把需要写数据的存储单元地址放到地址锁存器（地址总线） 存储器对地址译码后产生相应的存储单元选通信号 CPU数据放到数据缓冲器(数据总线) CPU发出存储器写控制信号，存储器在写信号的作用下将数据缓冲 器中的内容写入选定的单元
模型机指令系统
汇编语言源程序 高级语言源程序 机器语言程序 编译或解释（编译程序） （目标代码）
…… 总线表示方式
3-8译码器
218 A H
B C G1 G2A G2B
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
C 0 0 0 0 1 1 1 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
A 0 1 0 1 0 1 0 1
输出有效引脚 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
74LS138 3-8译码器
MOV ACC，5CH ADD ACC ， ACC, 2EH ; ACC = 5CH, ACC 为CPU内部的寄存器 ; ACC = ACC + 2EH