計(jì)算機(jī)組成原理 — 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)

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前言

計(jì)算機(jī)組成原理的研究目的

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的五大組成部分

馮·諾依曼機(jī)與圖靈機(jī)之間的關(guān)系

前言

本地是筆者基于《計(jì)算機(jī)組成原理》、《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》、《深入淺出計(jì)算機(jī)組成原理》和《大話計(jì)算機(jī)第一卷》的學(xué)習(xí)總結(jié)與歸納。主要記錄了 CPU 組成及運(yùn)算原理、指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O 系統(tǒng)等內(nèi)容，圍繞如何提高計(jì)算機(jī)性能展開思考。

計(jì)算機(jī)組成原理的研究目的

計(jì)算機(jī)組成（Computer Organization），其中 Organization 是 “組織機(jī)構(gòu)” 的意思。所以計(jì)算機(jī)組成原理就是研究計(jì)算機(jī)這一實(shí)體內(nèi)部的多個(gè)不同部件之間是如何變成一個(gè) “組織機(jī)構(gòu)” 的，這個(gè)組織機(jī)構(gòu)最終又是如何能夠進(jìn)行各種計(jì)算、控制、讀取輸入、返回輸出，從而提供各種強(qiáng)大功能的。

學(xué)習(xí)控制器、運(yùn)算器的工作原理，也就是 CPU 的工作原理；

學(xué)習(xí)存儲(chǔ)器的工作原理；

學(xué)習(xí) CPU 是如何與輸入/輸出設(shè)備交互的；

學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)指令和計(jì)算，即高級(jí)語(yǔ)言到機(jī)器指令的翻譯過(guò)程；

學(xué)習(xí)浮點(diǎn)數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的五大組成部分

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，也叫存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)。即程序本身是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存里的，可以通過(guò)加載不同的程序來(lái)解決不同的問(wèn)題。

馮·諾依曼在《First Draft of Report o the EDVAC》（《第一份草案》）中提出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成的五大部分 —— 控制器，處理器，存儲(chǔ)器，輸入和輸出設(shè)備。

注：EDVAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)） 是實(shí)際上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。

處理單元（Processing Unit，PU）：又稱數(shù)據(jù)通路（Datapath）或運(yùn)算器，包含了算術(shù)邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和處理器寄存器（Processor Register）。用于完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算。

控制器單元（Control Unit，CU）：包含了指令寄存器（Instruction Register）和程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）。用于控制程序的流程（程序流），通常是條件判斷和跳轉(zhuǎn)。

NOTE：PU 和 CU 就組成了 CPU（Central Processing Unit，中央處理器）。

儲(chǔ)存器：包括用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（Data）和指令（Instruction）的主存儲(chǔ)器和容量更大但速度卻慢的外部存儲(chǔ)器。

輸入/輸出設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)屬于輸入設(shè)備，顯示器是輸出設(shè)備，網(wǎng)卡即是輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備。

馮·諾依曼機(jī)與圖靈機(jī)之間的關(guān)系

圖靈機(jī)是一個(gè)抽象的思想模型（計(jì)算機(jī)的基本理論基礎(chǔ)），是一種有窮的、構(gòu)造性的問(wèn)題的問(wèn)題求解思路。背后對(duì)應(yīng)著可計(jì)算性理論，告訴我們什么樣的問(wèn)題是計(jì)算機(jī)解決得了的，什么樣的問(wèn)題是解決不了的。圖靈認(rèn)為凡是能用算法解決的問(wèn)題也一定能用圖靈機(jī)解決；

馮諾依曼提出了 “存儲(chǔ)程序” 的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想，并“ 參照” 圖靈模型設(shè)計(jì)了歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，即馮諾依曼機(jī)。

單片機(jī)

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