计算机组成原理总结

大四即将毕业的一个清晨,无意中刷微信公众号偶得一个关于计算机组成原理质量很高的文章,细细读罢,感觉这些知识都是以前老师在课堂上讲过的,但是当时觉得这些知识很是无聊(我一个学软件的需要了解硬件做什么?),所以考完试就把这些知识还给老师和课本了。一年之后看来,这些知识很是受用,遂找同学借来《计算机组成原理》的课本重新拜读(原谅我已经把我的课本当3块钱卖了),总结如下:

冯·诺依曼结构

1945年,数学家冯·诺依曼在研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念。以此概念为基础的的各类计算机统称为冯·诺依曼计算机。他的特点可归结如下:

  1. 计算机由输入设备,存储器,输出设备,控制器和运算器构成。其中控制器还包含指令寄存器(IR),指令译码器(ID)和操作控制器(OC)。
  2. 指令和数据以同等的地位放于存储器内,并可按地址寻访。
  3. 指令和数据均由二进制数表示。
  4. 指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
  5. 指令在存储器中按顺序存放,通常情况下指令是按照顺序执行的;在特定的条件下,可根据运算结果或根据设定的条件改变执行的顺序。
图片来源于百度

整个计算机工作的流程按照如下步骤来进行:

  1. 输入设备将数据和程序输入到存储器中,比如将硬盘中的程序加载到内存中就属于这个过程,但是这个程序并不是我们平时编写的Java之类的代码,而是经过机器编译之后的程序,经过编译之后的程序分为指令和数据两部分。
  2. 当程序到达内存中之后,指令寄存器的指针就指向要执行指令的地址,控制器根据指令的地址在内存中寻址后将指令装载到指令寄存器中,整个过程可以看做指令寄存器永远保存着下一个要执行的指令。
  3. 指令寄存器位于CPU的内部,本质上是一个存储设备,当指令从内存转移到CPU内部之后还需要经过译码器解码得到操作码是什么,操作数在哪。
  4. 之后交由运算器根据操作码和操作数进行算术运算(加减乘除),逻辑运算(比较,位移)。
  5. 运算完毕之后通过输出设备转换为人们熟悉的信息形式,如打印输出和显示器输出等。

主存储器

主存储器简称内存,主存。存储体由许多存储单元构成,每个存储单元又包含许多存储元件,每个存储元件都能寄存一位二进制代码“0”或“1”。可见,一个存储单元存储着一串二进制代码,称这串二进制代码为一个存储字长。存储字长可以为8位,16位或32位等。
一个存储字可代表一个二进制数,也可代表一串字符,如存储字0011011001111101,既可以表示由十六进制字符组成的367DH,又可代表16位的二进制数,此值对应十进制数13949
指令和数据都存放在内存中,通过存储单元地址号来反应,因此取一条指令和取一个数据的操作完全可以视为是相同的操作,可以用一套控制体系来完成两个截然不同的操作。
为了能够实现按地址访问的方式,主存中必须配备两个寄存器MAR和MDR。
MAR(Memory Address Rigister)是存储器地址寄存器,用来存放欲访问存储单元的地址。为了能够表示任意个一个存放单元的地址,MAR的位数就是存放单元的个数(如MAR有10位,那么存储单元就有2^10个,如果一个存储字长为8位,那么该内存就有1K大小)。
MDR(Memory Data Rigister)是存储器数据寄存器,用来存放从存储单元取出来的数据或者正准备送往存储单元的数据(分别对应读和写操作),其位数与存储字长相等。
随着硬件技术的发展,现如今MAR和MDR都已经集成到CPU中。如下图所示:

主存和CPU的关系

当要从存储器中读取某一信息字时,首先由CPU将该字的地址送至MAR,再由地址总线送至主存中,然后发出读命令。主存接受到读命令后根据地址将该存储单元的内容读出,并经过数据总线将内容送至MDR中,至于读出的内容经过MDR送至什么地方将有CPU来决定。
当要往存储器中写内容时,首先由CPU将要写内容的地址经过MAR送到地址总线,并将写的内容送到MDR,在CPU发出写的命令时,主存根据地址总线上的信息把数据总线上的信息写入到对应的存储单元中。

高级语言编译过程

高级语言我们以Java程序为例,从程序员编写的Java代码到CPU可以执行的指令需要经历如下步骤:


Java代码到可执行指令的过程

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