计算机组成原理<1>计算机的基本组成

一、冯诺依曼计算机的特点

(1)特点1:五大组成部分:

  1. 存储器
  2. 运算器
  3. 输入设备
  4. 输出设备
  5. 控制器

(2)按地址寻访

含义:

存储器被划分成许多存储单元,每个单元有一个唯一地址。CPU 要访问某个信息,就给出地址,然后从对应单元读出或写入。

关键点:

  • 指令和数据同等地位存于存储器中

    它们都以二进制形式放在存储器里,存储器并不区分"这条是指令、那条是数据"。

    CPU 怎么区分?靠取指阶段执行阶段区分:

    • 取指阶段取出的内容,当作指令;

    • 执行阶段取出的内容,当作数据。

  • 按地址访问,不是按内容访问

    冯·诺依曼机是"按地址寻访"。

    如果按内容查找,那叫相联存储器,不是经典冯·诺依曼机的特点。

  • 程序计数器 PC

    用来存放下一条指令的地址,实现指令的顺序执行和跳转。

考试简答:

指令和数据以同等地位存于存储器,按地址访问,靠执行阶段区分。

(3)指令和数据是用二进制表示的

含义:

计算机内部,指令、数据、地址、控制信息等,最终都用二进制 0/1 表示。

为什么不用三进制、四进制?

核心不是"二进制数学上最好",而是"工程上最合适"。

  1. 物理易实现

    二进制只需两个稳定状态:高/低电压、通/断、有/无电荷。

    三进制要三个稳定状态,四进制要四个,器件更难、更容易出错。

  2. 可靠性高

    0 和 1 状态差别大,抗干扰强。

    三态、四态之间的间隔小,噪声、温度、电压波动容易造成误判。

  3. 与布尔逻辑天然对应

    逻辑只有真/假、0/1,与二进制完全一致。

    与门、或门、非门等数字电路天然适合二进制。

  4. 运算规则简单

    二进制加法和乘法规则极少,电路简单、速度快、成本低。

  5. 生态成熟

    存储、通信、编码、纠错、软件、接口标准全都建立在二进制上。

三进制理论上信息密度更高,苏联也造过三进制计算机 Setun,但工程复杂、生态不足。四进制完全可以用两个二进制位表示,没必要直接做四态物理器件。

考试简答:

二进制只有两个稳定状态,易用开关器件实现,抗干扰强,与布尔逻辑一致,运算规则简单,制造和标准化容易。

(4)由操作码和地址码组成

这里说的是机器指令的格式。

一条机器指令通常由两部分组成:

  • 操作码 :指明"做什么操作"。

    例如:加法、减法、传送、跳转、输入、输出、停机等。

    所以你说"操作码指具体操作"是对的,但不只是算术运算,还包括逻辑运算和控制操作。

  • 地址码 :指明"操作数在哪里、结果放哪里、下一条指令在哪里"。

    例如:

    • 源操作数地址;

    • 目的操作数地址;

    • 结果地址;

    • 下条指令地址。

按地址码个数,指令可以分为:

  • 零地址指令;

  • 一地址指令;

  • 二地址指令;

  • 三地址指令。

有些指令还会包含寻址方式字段,用来说明地址码怎么用。

考试简答:

指令由操作码和地址码组成。操作码指出做什么,地址码指出操作数或结果所在位置。

(5)存储程序

这是冯·诺依曼机最核心的思想。

含义:

程序像数据一样,事先以二进制形式存入存储器。计算机启动后,自动按顺序从存储器中取指令、分析指令、执行指令,然后再取下一条指令。

基本工作过程:

  1. 取指令;

  2. 分析指令;

  3. 执行指令;

  4. 形成下一条指令地址;

  5. 重复。

意义:

  • 计算机不再需要为每个任务重新接线;

  • 只要改变存储器中的程序,就能完成不同任务;

  • 使计算机成为通用计算机;

  • 程序和数据可以共享同一存储器。

注意:

"存储程序"并不等于"程序可以随便修改"。现代计算机有存储保护机制,防止程序被非法改写。

考试简答:

程序和数据一起以二进制形式存入存储器,计算机自动按顺序取指、译码、执行。

(6)以运算器为核心

这句话要加一个限定:

经典冯·诺依曼机以运算器为核心。

经典结构中,数据流动往往以运算器为中心:

  • 输入设备的数据可能先送到运算器;

  • 运算器与存储器之间交换数据;

  • 输出设备也可能从运算器取结果;

  • 控制器负责发出控制信号。

这种结构的问题:

  • 运算器成为数据中转中心;

  • 存储器与 CPU 速度不匹配;

  • 形成"冯·诺依曼瓶颈"。

现代计算机通常不再是"以运算器为核心",而是:

  • 以存储器为中心

  • CPU 由运算器和控制器组成;

  • CPU、主存、I/O 通过总线连接;

  • 采用缓存、流水线、多核等技术缓解瓶颈。

另外,哈佛结构把指令和数据分开存储,可以同时取指令和取数据,也不是经典冯·诺依曼结构。

考试简答:

经典冯·诺依曼机以运算器为核心;现代计算机多以存储器为中心。

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