第二节 计算机的基本组成

1.冯诺依曼计算机的特点

（1）计算机由五大部件组成：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备。

（2）指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访；

（3）指令和数据用二进制表示；

（4）指令由操作码和地址码组成；

（5）存储程序；

（6）以运算器为中心。

图1 冯诺依曼结构（实线是数据传输，虚线是地址传输）

2.硬件系统的改进

问题1：以运算器为中心，导致运算器成为系统的瓶颈。

问题2：不具有层次化的特征。

改进1：以存储器为中心的计算机硬件框图

图2 以存储器为中心的计算机硬件框图

改进2：

运算器  ALU ---------CPU-----------主机

控制器  CU  ----|

存储器  -------主存----------------|

---|辅存

输入设备-------I/O设备

输出设备-------|

图3 改进2的计算机硬件框图（现代计算机硬件框图）

系统复杂性管理方法2（3Y）

1.层次化（Hierachy）：将被设计的系统划分为多个模块或者子模块；

2.模块化（Modularity）：有明确定义（well-defined）的功能和接口；

3.规则性（regularity）：模块更容易被重用。

3.计算机的工作步骤

3.1上机前的准备

①建立数学模型

②确定计算方法

③编织解题程序：程序-运行的全部步骤；指令-每一个步骤。

编程举例：

计算ax²+bx+c

假设系统包含加法指令、乘法指令、取数指令、存数指令、打印指令和停机指令。

假设a，b，c已经保存起来了。计算步骤如下：

①首先取x至运算器中的累加器（寄存器）中；（取数指令）

②乘x，在运算器中，计算的x的平方，保存在累加器ACC中；（乘法指令）

③乘a，在运算器中，在累加器ACC中保存ax的平方；（乘法指令）

④存数指令，存ax的平方在存储器中；（存数指令）

⑤取b至运算器中；（取数指令）

⑥在运算器中，对b乘x，acc中保存bx；（乘法指令）

⑦把bx+ax²，在累加器中；（加法指令）

⑧加c，在累加器中；（加法指令）

一共执行8条指令，指令较多，运算速度慢存储量较大。但是如果做一个优化，将该式处理为(ax+b)x+c。计算步骤如下：

①取x至运算器中；（取数指令）

②a乘x，在运算器中；（乘法指令）

③把ax+b，在运算器中；（加法指令）

④乘x，在运算器中；（乘法指令）

⑤加c，在运算器中。（加法指令）

一共执行5条指令，相对来说指令少，运算速度快，存储量也小。

另外要说明的是，累加器是运算器的一个部分。

指令格式举例

取数（把内存单元α中的数据存储在ACC中）           [α]àACC

假设我们的指令有16位，操作码为6位，地址码为10位。则可以如下格式：

000001 0000001000

存数（把ACC中的数据保存在内存单元β当中）            [ACC]àβ

加 γ                                                 [ACC]+[γ]àACC

乘 σ                                                 [ACC]×[σ]àACC

打印 θ                                                [θ]à打印机

停机

假设内存和ACC均为8位长度，那么乘法会使数据边长，必然会导致数据溢出。应予以注意。

计算ax²+bx+c程序清单如下图所示。

图4 计算程序清单（x/a/b/c/存储结果均为二进制数存储）

冯诺依曼机中，指令和数据都是同等地位以二进制数据保存起来的。

3.2 计算机的解题过程

（1）存储器的基本组成

图5 存储器的基本组成

存储器-存储单元-存储元件（0/1,），类似于大楼-房间-床位（无人/有人）

存储单元：用来存放一串二进制代码；

存储字：存储单元中二进制代码的组合；

存储字长：存储单元中二进制代码的位数。

每个存储单元赋予一个地址号，实行按地址寻访。

MAR（Memory Address Register）：存储器地址寄存器。反映存储单元的个数。

MDR（Memory Data Register）：存储器数据计算器。反映存储的字长。

设MAR=4位，MDR=8位，则存储单元是16个（2⁴），存储字长为8。

（2）运算器的基本组成及操作过程

图6 运算器各部分组成及功能

    运算器核心是算术逻辑单元（ALU），它是一个组合逻辑电路，也就是说当输入撤销之后，输出也会消失，因此后面需要存在一个寄存器，保存参与运算的数据，这两个寄存器为ACC（累加器）和X（数据寄存器）。如果做乘法运算，则多余出来的位数存放在MQ中。

注意：此结构仅限于本课程的一种类型。

对于加法来说，加数存放在X中，被加数存放在ACC中，和存放在ACC中；对于剪发说，被减数存在ACC中，减数存在X中，差在ACC中；对于乘法来说，乘法可以用加法和移位的方式来计算，被乘数存放在X中，乘数放在MQ中，乘积高位在ACC中，乘积地位在MQ中；对于除法来说，除法是用减法和移位来实现的，被除数在ACC，除数是X中，商在MQ中，余数在ACC中。

①加法操作过程

指令：

初态：ACC 被加数

第一条指令：[M]àX

执行加法指令：[ACC]+[M]àACC

如图7所示。

图7 加法（减法）操作过程图

②减法操作过程

指令：

初态： ACC中存在被减数

第一条指令：[M]àX

执行减法指令：[ACC]-[X]àACC

③乘法操作过程

指令

初态 ACC  被乘数

第一条指令（乘数）：[M]àMQ

第二条指令（被乘数）：[ACC]àX

第三条指令（累加之前先将ACC置零）：0àACC

乘法指令（累加+移位）：[X]×[MQ]àACC//MQ（高位//地位）

只有ACC送到X以后才可以做乘法，才能把0送到ACC中。但是第一条指令和第二条指令顺序可以互换。这个先后顺序是控制器来控制的。

图8 乘法（除法）操作过程

④除法操作过程

指令

初态 ACC  被除数

第一步指令：[M]àX

第二步指令：[ACC]÷[X]àMQ

（余数在ACC中）

MQ又叫乘商寄存器。注意：[X]指的是X对应地址的内容。

（3）控制器的基本组成

控制器的功能：解释指令（从取指令、分析指令、取操作数……一直到完成指令）；保证指令按序执行。

完成一条指令包括三步：①取指令PC（程序寄存器）；②分析指令IR（指令寄存器）；③执行指令CU。

PC中存放当前要执行指令的地址，指令地址是相邻的，因此PC具有计数功能，即把PC+1赋给PC。

IR存放当前欲执行的指令，控制单元可以把IR中的操作码取出来分析。操作控制就是CU完成。

具体框图如下：

图9 控制器的组成

（4）主机完成一条指令的过程

①以取数指令为例

图10 取数指令的过程

第一步：取指令。要执行指令的地址是PC中，指令存在存储体中。首先PC把地址给MAR，然后给存储体，在控制器控制下，存储体中存储的指令取出来送入MDR中，然后当前指令的地址存在IR中，取指令完成。

第二步：分析指令。把IR中的指令的操作码部分送入CU，译码之后进行下面的操作。

第三步：执行指令。在控制器的控制之下，要把IR指令当中的地址部分送给存储器（MAR），以便取出数据。然后MAR把地址送给存储体重，存储体把数送入MDR，然后送入ACC。

②以存数指令为例

图11 存数指令的过程

第一步：取指令。首先PC把当前指令的地址发送给MAR，然后MAR又发送到存储体，在控制器控制下，存储体中存储的指令取出来送入MDR，MDR将该指令存入IR之中。

第二步：分析指令。把IR中的指令的操作码送给CU，由CU对指令进行分析，CU发出响应控制信号。

第三步：执行指令。首先在CU控制下，把IR中的指令的地址码送入MAR中，MAR送入存储体，告诉存储体现在有一个数据要存进来和地址是多少。然后在CU控制下，ACC中的数据被送入到MDR中，然后再送入到存储体中，在存储体中的地址按照MAR的要求来确定。

（5）ax²+bx+c程序的运行过程

①将程序通过输入设备送至计算机。

②程序首地址送入PC中。

③启动程序运行：

取指令PCàMARàMàMDRàIR，（PC）+1àPC

分析指令：OP(IR)àCU（OP是操作码）

执行指令：加：Ad(IR)àMARàMàMDRàACC。（Ad代表地址码的意思）

④打印结果

⑤停机