01计算机组成原理与体系结构

1-计算机体系结构-冯·诺依曼

2021-07-20 519 5

简介 重点:冯·诺依曼体系结构、现代CPU体系结构、CPU的组成


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1. 冯诺依曼体系结构

    早期计算机仅限于固定用途,开发好的程序是固定在电路板上的,如果需要修改程序,还需要重新设计电路。冯诺依曼体系的出现,确立了相对通用的计算机结构。冯诺依曼体系中描述了计算机主要包含五大部件,分别为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

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    输入设备: 用于接收数据, 常见的设备有键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等


    控制器: 整个计算机的指挥控制中心,通过向其他设备发出控制信号,从而控制计算机,使计算机能自动、协调地工作。

    

    运算器:在控制器的统一控制下,运算器负责对数据进行处理和运算,如算术运算、逻辑运算、位移、比较等。其数据取自存储器,运算结果又会送往存储器。运算器和控制器集成在一起又称为中央处理单元(Central Processing Unit , CPU)


    存储器:计算机系统中用于保存信息的设备,存放计容算机中所有数据的场所


    输出设备:将运算结果输出,展示给用户,常见的设备有显示器、打印机等


2. 现代计算机体系结构

    在冯诺依曼体系下,由于 CPU 的运算速度远远高于存储器的存储速度,因此 CPU 的大部分时间都处于空闲状态,等待数据的传输或指令的到来,造成资源的浪费,这种现象被叫作冯诺依曼瓶颈。

    现代计算机在冯诺依曼体系结构的基础上进行了修改,增加了寄存器,同时也将存储器分为内存储器(主存储器)和外存储器(辅助存储器), 主要是为了解决 CPU 与存储设备之间的性能差异问题。

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    外存储器: 用于持久化存储数据, 常见的设备有U盘、硬盘、移动硬盘


    寄存器(寄存器组): cpu准确来说是由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等子部件组成, 其中的寄存器组分为专用寄存器和通用寄存器, 运算器和控制器中的寄存器起作用是固定的,属于专用寄存器。寄存器组中的通用寄存器由程序员规定其用途。


3. CPU的子部件介绍

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    CPU 由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等子部件组成

    运算器是数据加工和处理的部件,用于完成各种算术运算和逻辑运算,控制器发出控制信号来指挥运算器进行数据的处理和加工。

    算术运算包括加减乘除,逻辑运算包括与或非等。

3.1 运算器

    运算器由算术逻辑单元、累加寄存器、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器组成


    算术逻辑单元,Arithmetic logic unit,ALU, 主要完成数据的算术运算和逻辑运算


    累加寄存器: accumulator,AC,主要是为ALU提供工作区,比如在计算a+b时,先将a从内存中取出,放入到AC中,然后再将b从内存中取出,然后计算a+b的和,最后将结果送回到AC中。


    数据缓冲寄存器: Data Register, DR,作为CPU和内存之间数据传送的中转站,可以提供CPU和内存之间操作数据的缓冲,DR主要是存放提供内存读写的一个数据字或一条指令。


    状态条件寄存器: Program Status Word,PSW,保存指令执行之后的状态, 一个算术运算产生一个运算结果,一个逻辑运算产生一个判决,PSW就是保存这些运行结果或者判决。如运算结果进位标志(C)、运算结果溢出标志(V)、运算结果为0标志(Z)、中断标志(I)等。


3.2 控制器

    运算器只能完成运算,而控制器用于控制整个CPU的工作,它决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行,而且要能够处理异常事件。


    指令寄存器,Instruction register,IR:当CPU执行一条指令时,先把指令从内存读取到数据缓冲寄存器再送入IR中暂存,指令译码器(ID)根据IR中的的内容产生各种徽操作指令,控制其他的组成部件工作,完成指令的执行。


    程序计数器,Program Counter,PC, 程序的执行分两种情况,一是顺序执行,二是跳转执行(比如goto语句)。在程序开始执行前,将程序的起始地址送入PC, 该地址在程序加载到内存时确定,因此PC的内容即是程序第一条指令的地址。执行指令时, CPU将自动修改PC的内容,以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的,所以修改的过程通常只是简单地对PC加1。 当遇到跳转的指令时,后继指令的地址根据当前指令的地址加上一个向前或向后转移的位移量得到,或者根据转移指令给出的直接转移的地址得到。


    地址寄存器,Address Register,AR,保存当前CPU所访问的当前内存单元的地址。由于内存和CPU存在着操作速度上的差异,所以需要使用AR保存地址信息,直到内存的读或写操作完成为止。这就是现代计算机在冯诺依曼体系之上增加寄存器解决的冯诺依曼体系瓶颈的体现。


    指令译码器,Instruction Decoder,ID,指令分为操作码和地址码两部分,为了能执行任何给定的指令,必须对操作码进行分析,以便识别所需要的操作。指令译码器对指令中的操作码字段进行分析解释,识别该指令所要完成的操作,向控制器发出具体的控制信号,控制各部件工作,完成指令所要完成的功能。


3.3 寄存器组

    cpu准确来说是由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等子部件组成, 其中的寄存器组分为专用寄存器和通用寄存器, 运算器和控制器中的寄存器起作用是固定的。通用寄存器由程序员规定其用途。


4. 冯诺依曼体系VS哈佛体系

    冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构,是一种将指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。

    冯·诺依曼结构的特点:

    (1)一般用于PC处理器,如i3/i5/i7处理器

    (2)指令与数据存储器合并在一起

    (3)指令与数据都通过相同的数据总线传输


    哈佛结构是一种将指令和数据分开的存储的计算机体系结构。

    哈佛结构是一种并行体系结构,它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器,每个存储器独立编址、独立访问。

    哈佛结构的特点:

    (1)一般用于嵌入式系统处理器, 数字信号处理(Digital Signal Processing, DSP)

    (2)指令与数据分开存储,可以并行读取指令和数据,提高了数据的读取效率以及指令的执行效率

    (3)总线数量多,有4条总线:指令的数据总线与地址总线,数据的数据总线与地址总线


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