7.1 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新互聯(lián)是一家集網(wǎng)站建設(shè),雙江企業(yè)網(wǎng)站建設(shè),雙江品牌網(wǎng)站建設(shè),網(wǎng)站定制,雙江網(wǎng)站建設(shè)報(bào)價(jià),網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,雙江網(wǎng)站推廣為一體的創(chuàng)新建站企業(yè)，幫助傳統(tǒng)企業(yè)提升企業(yè)形象加強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?？沙浞譂M足這一群體相比中小企業(yè)更為豐富、高端、多元的互聯(lián)網(wǎng)需求。同時(shí)我們時(shí)刻保持專業(yè)、時(shí)尚、前沿，時(shí)刻以成就客戶成長(zhǎng)自我，堅(jiān)持不斷學(xué)習(xí)、思考、沉淀、凈化自己，讓我們?yōu)楦嗟钠髽I(yè)打造出實(shí)用型網(wǎng)站。

7.1.1 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的組成部分

（1）輸入、輸出設(shè)備

1）輸入設(shè)備：向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)，比如，

·通過(guò)攝像頭、MIC，將圖像/聲音等轉(zhuǎn)成二進(jìn)制數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)

·從網(wǎng)卡輸入數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)等

·其它

2）輸出設(shè)備：從計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)，比如，

·通過(guò)顯示器、揚(yáng)聲器，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)翻譯稱為圖片/視頻/聲音等供人能夠識(shí)別

·或者通過(guò)網(wǎng)卡輸出數(shù)據(jù)給別的計(jì)算機(jī)

·其它

（2）存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)

（3）運(yùn)算器：進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算

（4）控制器：解釋程序指令，將程序指令轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)的一條一條的微指令，這些微指令會(huì)控制運(yùn)算器等部件工作，進(jìn)行比如，

·數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運(yùn)算

·數(shù)據(jù)的搬移，比如從CPU的寄存器搬移到內(nèi)存，或者從內(nèi)存的某個(gè)位置搬移到內(nèi)存的另一個(gè)位置。

·等等

7.1.2結(jié)構(gòu)圖

7.2 哈佛結(jié)構(gòu)

與馮諾·依曼結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的是哈佛結(jié)構(gòu)，我們會(huì)在后面詳細(xì)講解這兩種結(jié)構(gòu)之間的異同和優(yōu)缺，為了便于講解的方便，這邊還是以經(jīng)典的馮諾·依曼結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)的介紹。

7.3 詳細(xì)結(jié)構(gòu)

7.3.1 詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖（PC）

7.3.2  各部分簡(jiǎn)述

計(jì)算機(jī)的詳細(xì)組成總體上可以分為三大部分，CPU，總線與接口、外部設(shè)備，核心部分主要就是cpu/總線，外部設(shè)備總體上分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，而核心部分與外部設(shè)備通過(guò)接口連接。

（1） cpu

1）運(yùn)算器

（a）作用：根據(jù)指令要求，對(duì)數(shù)字電信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，

（b）運(yùn)算器組成

·ALU：Arithmetic Logic Unit，算術(shù)運(yùn)算單元，進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算

·（通用）寄存器組：用于存放ALU在進(jìn)行算術(shù)/邏輯運(yùn)算時(shí)，運(yùn)算過(guò)程中涉及到的一些中間值和計(jì)算結(jié)果值。

·乘商寄存器：專門(mén)用于存放乘法和除法運(yùn)算中間值和結(jié)果值。

·CVZS：各種ALU運(yùn)算需要用到的標(biāo)志位

C：進(jìn)位、借位標(biāo)志，如果有進(jìn)位或者借位，C=1，否則C=0。

Ｃ的應(yīng)用舉例：請(qǐng)寫(xiě)匯編代碼計(jì)算13208　+　34535相加后的值。

答：為了便于編程時(shí)好理解，我們先將這兩個(gè)二進(jìn)制的數(shù)，轉(zhuǎn)為16進(jìn)制，即OX3398+0X86E7。

匯編實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)數(shù)的相加的大致步驟如下圖所示。

總結(jié)：從這個(gè)例子就可以看出，C進(jìn)位/借位標(biāo)志位的作用，有關(guān)借位作用同理，就不再贅述。如果你想了解跟多，我們?cè)? 后面嵌入式技術(shù)課程中，在講有關(guān)匯編時(shí)，還會(huì)將這方面的內(nèi)容。當(dāng)然我們這里在強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，我們學(xué)習(xí)匯編并不是為了

使用會(huì)變來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，而是通過(guò)匯編理解計(jì)算機(jī)的工作原理。

有些同學(xué)說(shuō)，我用C語(yǔ)言的等高級(jí)語(yǔ)言寫(xiě)代碼，這些標(biāo)志位也會(huì)用的上嗎，也會(huì)用得上，百年一起在編譯時(shí)，C語(yǔ)言會(huì)被翻譯為匯編，翻譯為匯編后，進(jìn)行加法的算術(shù)運(yùn)算時(shí)，同樣會(huì)按照同樣的方式使用C進(jìn)/借位標(biāo)志位。

Z：運(yùn)算結(jié)果是否為零標(biāo)志，如果結(jié)果為0，Z=1，否者Z=0。

應(yīng)用舉例：比較兩數(shù)是否相等，比如a=3，b=3，判斷兩數(shù)是否相等，寫(xiě)成匯編程序的話，實(shí)際上就是將兩數(shù)相減(算術(shù)運(yùn)算)，

如果Z=1表示a和b的值相等，否則不相等。

V：溢出標(biāo)志，有溢出，V=1，V=0

（1）什么是溢出

比如一個(gè)32位的寄存器，只有32位，所能裝的二進(jìn)制的數(shù)的大情況就是32個(gè)1,即11111111 11111111 11111111 11111111，如果再往里面加一個(gè)1的話，就向33為進(jìn)1了，但是寄存器只有32為，不存在33為，溢出的哪個(gè)1不存在了，寄存器中的32個(gè)bit，全部是0，即00000000 00000000 00000000 00000000，因此溢出回事數(shù)值發(fā)生巨大突變，在真實(shí)的計(jì)算機(jī)中，溢出會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的值發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的問(wèn)題。

（2）為什么要檢查溢出

從上面的描述中，不難看出，溢出的檢查很有意義，通過(guò)基礎(chǔ)標(biāo)志V的檢查，就可以知道數(shù)據(jù)有無(wú)溢出，如果沒(méi)有溢出證明數(shù)據(jù)是沒(méi)問(wèn)題的，否者數(shù)據(jù)的值可能存在問(wèn)題，需要做相應(yīng)的處理。

高級(jí)語(yǔ)言，比如C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)兩個(gè)很大數(shù)計(jì)算時(shí)，如果數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)結(jié)果因?yàn)樘蠖绯?，?dāng)你使用這個(gè)溢出的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)有溢出提醒，這個(gè)溢出提醒就是通過(guò)，C語(yǔ)言程序被編譯后的匯編程序，檢查V這個(gè)溢出標(biāo)志位得到的，我們?cè)诤竺鎸語(yǔ)言時(shí)，還會(huì)講到有關(guān)溢出事情。

S：有時(shí)用是N，當(dāng)兩個(gè)有符號(hào)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，S=1表示運(yùn)算的結(jié)果為負(fù)數(shù)，S=0表示運(yùn)算的結(jié)果為正數(shù)或零。

應(yīng)用舉例：比較a、b兩數(shù)的大小，寫(xiě)成程序的話，我們會(huì)讓兩個(gè)數(shù)進(jìn)行減法減法運(yùn)算，如果S=1，表示是一個(gè)負(fù)數(shù)，說(shuō)明a<b，如果S=0，說(shuō)明a等于或者大于b，這個(gè)時(shí)候需要在查詢Z標(biāo)志位，如果Z標(biāo)志位為1，表示a等于b，否者說(shuō)明a小于b。

2）cpu的控制器

（a）作用：最重要的功能就是對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后將指令轉(zhuǎn)成微指令，再由微指令控制計(jì)算機(jī)工作，比如

· 控制ALU，讓ALU進(jìn)行數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運(yùn)算

· 進(jìn)行數(shù)據(jù)的移動(dòng)，比如從CPU的寄存器移到內(nèi)存中，或者從內(nèi)存的某個(gè)位置搬移到內(nèi)存的另一個(gè)位置。

· 等等

（b）控制器組成

· 程序計(jì)數(shù)器（PC）：Program Counter，程序最開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，PC里面放的是程序第一條指令在內(nèi)存中所在的地址，每運(yùn)行一

條指令，PC里面的地址就會(huì)加1,指向下一個(gè)指令，如果一個(gè)指令的存放需要4個(gè)字節(jié)，pc中的地址加1，實(shí)際上加的是4個(gè)字節(jié)。

· 指令寄存器（IR）：Instruction Register，臨時(shí)存放從內(nèi)存中取得的，即將要被解釋運(yùn)行的指令，指令由兩部分組成，

- 第一部分：操作碼，指明計(jì)算機(jī)需要執(zhí)行一個(gè)什么樣的動(dòng)作，比如有些操作碼表示做加運(yùn)算，有些表示要進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移。

- 第二部分：地址碼，

+ 直接是要被操作碼操作的數(shù)

+ 要被操作的數(shù)在內(nèi)存中所在的地址。

    MOV

偽指令  101001 1001010101

       操作碼  地址碼

· 指令譯碼器（ID）：Instruction Decoder，解釋指令，解釋指令的過(guò)程為，

- 第一步：檢查指令的格式是否合法，是否夾有非法字符、或者非法詞組，有的話，譯碼將不會(huì)通過(guò)

- 第二步：如果指令被檢查合格了，會(huì)提取出操作碼，將操作碼翻譯為微指令，控制計(jì)算機(jī)各部分，按照操作碼的要求做事

· 控制存儲(chǔ)器：用于存放微指令程序（或稱微程序），每一操作碼都對(duì)應(yīng)著一個(gè)自己的微指令程序，控制存儲(chǔ)器中存放著所有操作碼

所對(duì)應(yīng)的微指令程序。

比如MOV（加運(yùn)算）操作碼，就有自己的微指令程序，微指令程序是由一條條的微指令構(gòu)成的，在出廠時(shí)，這些微指令程序就被

固化在了控制存儲(chǔ)器中。

· 微指令寄存器：用于臨時(shí)存放微指令

（2）總線與io接口

總線與接口的作用就是，將CPU和外部設(shè)備連接在一起。-----

1）三大高速總線

（a）作用：高速通信線路，屬于CPU的高速公路

· 地址總線：傳輸?shù)刂沸盘?hào)，比如通過(guò)傳輸?shù)刂沸盘?hào)，找到要操作的內(nèi)存單元等

· 控制總線：傳輸控制信號(hào)

通過(guò)地址總線傳輸?shù)牡刂沸盘?hào)，找到內(nèi)存的某位置了，接下來(lái)到底是往里面寫(xiě)數(shù)據(jù)呢，還是從里面讀數(shù)據(jù)呢，那就

要看具體的“指令”了，如果是寫(xiě)指令，指令經(jīng)過(guò)譯碼器的譯碼后，會(huì)被轉(zhuǎn)為微指令，微指令會(huì)通過(guò)控制總線，向內(nèi)存發(fā)

控制信號(hào)，表示說(shuō)，我希望向該內(nèi)存位置寫(xiě)數(shù)據(jù)。

· 數(shù)據(jù)總線：傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)

比如通過(guò)地址信號(hào)找到內(nèi)存的某個(gè)位置了，控制總線也發(fā)出了寫(xiě)的控制信號(hào)，希望對(duì)該空間寫(xiě)數(shù)據(jù)，那么寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，就需要

通過(guò)數(shù)據(jù)總線向該內(nèi)存空間傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的，內(nèi)存收到這個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)后，會(huì)將該數(shù)據(jù)信號(hào)鎖存到該內(nèi)存空間中，那么這樣就實(shí)現(xiàn)了

寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程。

（b）三大高速總線是分開(kāi)的

三大高速總線其實(shí)是可以合在一起的，但是合成一個(gè)的話會(huì)忙不過(guò)來(lái)的，通信的速率會(huì)非常低，分成三條總線就好比將高速公

路分成三個(gè)車(chē)道，不同車(chē)走不同的車(chē)道，互不相干，效率自然就高。

（c）三大高速總線是并行通信的

使用并行通信的目的也是為了條通信效率。

（d）三大高速總線所處位置  -------

三大高速總線位于CPU的內(nèi)部，通過(guò)CPU芯片的引腳與外部的IO橋連接在一起。

2）IO接口

（a）作用：負(fù)責(zé)連接各種的輸入、輸出外部設(shè)備

（b）每一個(gè)設(shè)備都會(huì)有屬于自己的IO接口

（c）io接口也有地址、數(shù)據(jù)、控制三大線，

· io接口的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線，大多數(shù)情況都是串行通信的，而且往往是復(fù)用的

比如USB通信，usb使用的就是串行通信的，常見(jiàn)的USB2.0有4根線，其中有兩根線，一個(gè)是正極電源線，另一個(gè)負(fù)極電源線，

其它兩根線被復(fù)用當(dāng)作地址線、數(shù)據(jù)線、控制線使用。

· 不過(guò)內(nèi)存是一個(gè)特例，為了能夠提高內(nèi)存的訪問(wèn)速度，內(nèi)存io接口的地址、數(shù)據(jù)、控制線都是獨(dú)立的，并且使用的是并行通信。

（d）后面的linux驅(qū)動(dòng)課程，主要涉及的就是IO接口相關(guān)的內(nèi)容

linux驅(qū)動(dòng)就是講如何通過(guò)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，去控制這些IO接口，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的通信，有關(guān)IO接口這一塊的知識(shí)，我們會(huì)在后面的

linux驅(qū)動(dòng)技術(shù)課程部分詳細(xì)講解，所以，io接口是后面Linux驅(qū)動(dòng)課程的核心內(nèi)容。

（e）io接口所處的位置

· 在芯片的外部：比如pc機(jī)（個(gè)人電腦），所有IO接口基本都是在CPU芯片的外部

· 集成在芯片內(nèi)部：比如像單片機(jī)，雖然有一部分也是在芯片外部，但是有很大部分IO接口是被直接集成于在了芯片的內(nèi)部。

3）IO橋

（a）并不是計(jì)算機(jī)都需要IO橋

IO橋是PC機(jī)特有的，除了PC外的其它類的計(jì)算機(jī)，有些（單片機(jī)）就不使用IO橋。---------------

（b）為什們會(huì)使用IO橋

其實(shí)是可以不使用IO橋的，沒(méi)有IO橋時(shí)，所有的“IO接口”都是直接掛接在三大高速總線上的，但是隨著發(fā)展，掛接的外部

設(shè)備越來(lái)越多，直接掛接在總線上，管理是一個(gè)麻煩，為了管理的便利，就加了IO橋，IO接口直接掛接在IO橋上，就由IO橋

來(lái)管理眾多的IO接口。

（c）IO橋常常分為南橋和北橋

南橋?qū)?yīng)的就是一個(gè)南橋芯片，北橋?qū)?yīng)的就是一個(gè)北橋芯片，南北橋之間會(huì)有相互連接。 -----------

· 南橋：負(fù)責(zé)CPU與鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、磁盤(pán)等，通信速率較低的外部設(shè)備之間的通信。

· 北橋：負(fù)責(zé)CPU與內(nèi)存、顯示器等，通信速率要求較高的外設(shè)之間的通信。

（d）io橋所處的位置

io橋指的就是南橋和北橋芯片，位于CPU芯片的外部。

4）地址、數(shù)據(jù)、控制線相互配合工作

（a）例子：將內(nèi)存中地址0101字節(jié)的內(nèi)容讀出，寫(xiě)到CPU通用寄存器R0(地址為1001)中，假設(shè)寄存器R0只有一個(gè)字節(jié)。

步驟：

第一大步：從內(nèi)存0101的字節(jié)，讀出數(shù)據(jù)

（1）cpu通過(guò)地址線發(fā)出0101這個(gè)地址信號(hào)，內(nèi)存的0101對(duì)應(yīng)的字節(jié)會(huì)被選中

（2）cpu解釋并執(zhí)行“讀指令”，發(fā)出“讀”的控制信號(hào)

通過(guò)控制線發(fā)送“讀”控制信號(hào)后，之前被選中的0101字節(jié)，就被設(shè)置為了可讀，設(shè)置為可讀后，內(nèi)存0101字節(jié)中的數(shù)據(jù)2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2.5v（11001001）會(huì)被讀出，讀的過(guò)程，其實(shí)就是通過(guò)數(shù)據(jù)線將電信號(hào)導(dǎo)出，由于內(nèi)存的數(shù)據(jù)、地址、控制線是并行傳輸?shù)?，那么在并行?shù)據(jù)線上，此時(shí)擁有與2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2

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文章標(biāo)題：計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)-創(chuàng)新互聯(lián)
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