威海建设公司网站,东莞网站推广裙,营销策划网站,网站所用的图片大小文章目录 冯诺依曼体系输入设备输出设备存储器运算器控制器协同工作的流程 冯诺依曼体系
世界上第一台通用计算机#xff0c;ENIAC#xff0c;于1946年诞生于美国一所大学。 ENIAC研发的前期#xff0c;需要工作人员根据提前设计好的指令手动接线#xff0c;以这种方式输入… 文章目录 冯·诺依曼体系输入设备输出设备存储器运算器控制器协同工作的流程 冯·诺依曼体系
世界上第一台通用计算机ENIAC于1946年诞生于美国一所大学。 ENIAC研发的前期需要工作人员根据提前设计好的指令手动接线以这种方式输入指令给计算机。显然这种方式程序运行的效率受人工的影响大部分时间消耗在人工手动接线上面。
ENIAC研发的中期冯诺依曼加入研发小组。此后三位大佬包括冯诺依曼在内基于对ENIAC的改进研发了EDVAC机冯诺依曼在研发EDVAC机时提出了“存储程序”的思想 奠定了现代计算机的基本结构。
存储程序将事先编制好的程序和数据送入主存才能执行一旦程序被启动执行就无需操作人员的干预计算机会自动逐条执行指令直至程序执行结束。
这个时候就不需要人工手动接线输入指令了从而提升了效率。以这种概念为基础的计算机我们把它叫做冯·诺依曼机。冯·诺依曼体系结构如下图 其特点
采用“存储程序”的方式计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器主、外、输入设备、输出设备五大部件组成指令和数据以同等地位保存在存储器里均用二进制表示计算机可以区分。指令由操作码和地址码组成操作码指出操作的类型地址码指出操作数的地址。
输入设备
输入设备的任务:用来接收原始内容然后把程序和数据转换为计算机能够接受和识别的形式输入计算机。
例如
键盘鼠标
输出设备
输出设备的任务将计算机内经过计算机处理的结果转换为我们能看懂的形式输出。
例如
显示屏打印机
存储器
存储器分为主存储器和辅助存储器主存储器又可以叫做内存储器也就是我们平时经常提到的内存。主存储器 CPU就构成了主机和我们小时候提到的主机是不一样的。辅助存储器又可以叫做外存储器磁盘是最常见的外存储器。
主存储器我们可以把它想象成一个非常大的中药柜子 取药、放药的柜台 主存储器的存储体 相当于 这个大中药柜子。 存储体由许多存储单元组成存储单元相当于中药柜子里的一个个小柜子。 存储单元包含若干存储元件每个存储元件存储一个二进制位。相当于一个小柜子里有若干的空间每一个空间可以放一个草药我把它抽象过度了
一个存储单元里可以放一串二进制代码这串代码我们呢把它叫做存储字这串代码的位数为存储字长。存储字长就相当于小柜子里放了多少个草药。存储字长 一个字只能是1字节或者1字节的偶数倍。
现在来模拟主存储器的工作方式 取数据的过程
CPU把它需要的数据地址放到地址寄存器MAR里面。主存储器根据地址寄存器里面的地址去存储体内找数据主存储器将数据存入数据寄存器MDR等待CPU来获取。
存数据的过程
CPU把要存入的数据放到数据寄存器MDR里CPU把地址它想把数据放在哪一个位置的地址放入地址寄存器MAR主存储器根据地址寄存器MAR里的地址将数据寄存器MDR里的数据放入存储体。
主存储器存取数据的方式很容易联想到实际例子。 以中医师徒为例类比主存储器取数据的过程。徒弟负责打杂例如师傅想要柜子里的草药—党参师傅就把党参的位置写在纸条上然后徒弟根据纸条上的位置去柜子里找找到了就把党参放在柜台上等待师傅拿就可以了。
现代计算机地址寄存器MAR和数据寄存器MDR是放在CPU里面的。 CPU中的运算器和控制器在运算器和控制器里并不讲解它们的工作原理只介绍它们的基本部件工作原理在“工作流程”中结合进行介绍。
运算器
运算器是用来进行算术运算和逻辑运算的。 算术运算例如加、减、乘、除 逻辑运算例如
与或非异或移位
运算器的核心是算术逻辑单元简称ALU。运算器里面有三个寄存器是必须存在的分别是累加器ACC、乘商寄存器MQ和通用的操作数寄存器X。用于暂时存放操作数和中间结果。
累加器ACC。存放操作数和运算结果乘商寄存器MQ。在乘、除运算时存放操作数和运算结果操作数寄存器X。通用的操作数寄存器存放操作数和运算结果。
控制器
控制器相当于指挥中心。 程序计数器PC存放当前想要执行的指令的地址。具备自动加1的功能当PC里面的指令被取出来以后PC里放下一条将要执行指令的地址。
指令寄存器IR当PC把地址放到地址寄存器MAR里主存储器就把该地址上的指令取出放到数据寄存器MDR里指令寄存器IR的内容来自MDR放的是当前的指令。
指令由操作码和地址码组成指令寄存器IR里的指令的操作码被送入控制单元CU用于分析指令并发出命令而指令的地址码又被送入地址寄存器MAR里用于取操作数的数据。 指令和数据在指令周期的不同阶段所以CPU能够区分指令和数据。 协同工作的流程
#include iostream
int main(void){int a 2, b 3, c 1, y 0;y a * b c;return 0;
}上述文件经历预处理、编译、汇编、链接四个大步骤最终形成一个可执行文件。汇编阶段汇编器会把程序翻译成机器语言指令也就是二进制代码。可执行文件里的内容就是由上述步骤转化而来的二进制。 现在以该可执行文件演绎一部分过程。要执行该文件时先将它的代码和数据加载到内存里面并且把第一条指令的地址写入程序计数器PC中 第一条指令周期 1(PC)-MAR 。PC程序计数器里的地址通过地址总线输入到地址寄存器MAR里主存储器收到CPU发送的读信号 2M(MDR)-MDR。从存储体内拿到指令, 放入数据寄存器MDR。此时MDR里的数据为000001 0000000101 3MDR-IR。将MDR里的指令通过数据总线给指令寄存器IR 000001 0000000101指令由操作码和地址码组成。 4OP(IR)。IR里的指令的操作码给控制单元CUCU对操作码分析得到这是一个取数指令 5AD(IR)。IR里的指令的地址码继续给地址寄存器MARMAR 5 6主存储器根据地址码为5去5地址取出数据MDR 0000000000000010 2 7将MDR里的数据放入运算器里的累加器ACC 2
(1)~(3)是取指令取完指令后程序计数器PC自动1现在PC里面保存的是地址1 (4)分析指令 (5)~(7)执行取数指令。
第二条指令周期 1将程序计数器PC里的指令地址通过地址总线送入地址寄存器MAR内 MAR 1 2主存储器根据地址找到指令将指令放到数据寄存器MDR此时MDR 000100 0000000110 3将MDR里的指令通过数据总线送入指令寄存器IRIR 000100 0000000110 4IR内指令的操作码送入控制单元CUCU分析指令这是 “乘法”指令 5IR内指令的地址码送入地址寄存器MAR此时MAR 0000000110 6 6主存储器取出地址为6的数据0000000000000011 (MDR) 0000000000000011 3 7将数据寄存器MDR里的数据通过数据总线送入运算器里的乘商寄存器MQ里 此时(MQ) 0000000000000011 3 8累加器ACC里的数据放入通用的操作数寄存器X里面。此时(x) 2 9由算术逻辑单元ALU执行乘法运算得到6放入累加器ACC里面此时(ACC)6如果乘积太大就需要乘商寄存器MQ来辅助。
第三条指令周期 … … … 综上CPU工作的流程就是取指令 分析指令 执行指令。这种方式叫做流水线。还有一种机制比流水线要好得多叫做超标量CPU。你可以这样理解就是设计了一种机制使得CPU的工作“超标量”了把超标量理解为生活上的超标量就行。那么这种让CPU超标量的机制是如何的呢 这种设计中多了一个保持缓冲区。把多个指令同时取出并进行解码放入保持缓冲区内如果执行单元有“在偷懒的”保持缓冲区内还有可处理的指令但是执行单元有空闲就从保持缓冲区取出并且执行。缺点在于从保持缓冲区取出的指令极大可能不按原来的顺序执行这个应该比较好理解。
