第一章 计算机系统概述 1.2.2 各硬件部分的介绍

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本笔记参考书目：

1. 计算机组成原理（第六版.立体化教材）白中英、戴志涛
2. 2021王道计算机组成原理视频公开课

本节重点：

• 主存储器、运算器和控制器的基本组成
• 计算机运行过程的实例

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主存储器

结构

• 存储体：用于存放二进制0/1。
• MAR：存储地址（Address）寄存器，提供数据位置。
• MDR：储存数据（Data）寄存器，提供MAR对应地址的数据。

数据读入读出

• 读入：CPU告诉MAR位置和MDR数据，向对应位置写入数据；
• 读出：CPU从MAR位置获取数据，存入MDR，再从MDR取数据。

存储体

二进制数据按地址存储在存储体中。

• 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
• 存储字（word）：存储单元中二进制代码的组合
• 存储字长：存储单元中二进制代码的位数（通常为8bit的整数倍）
• 地址：MAR指向的信息
• 存储元：二进制的电子元件（电容），每个存储元存放1bit

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MAR位数反映了存储单元的个数；
MDR位数 = 存储字长
**

易错点：

• 1Byte(字节) = 8bit，1B = 1Byte
• 1word(字) = ?bit -> 存储字长取决于计算机架构(MDR位数)

运算器

运算器用于实现算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）。

ACC/MQ/X均为寄存器

• ACC（Accumulator）：累加器（寄存器），存放操作数或运算结果；
• MQ（Multiple-Quotient Register）：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果；
• X：通用寄存器（通用的操作数寄存器），存放操作数。X有多个，但只需一个X，就能实现运算；
• ALU（Arithmetic/Logic Unit）：算术逻辑单元，是运算器的核心单元，集成复杂电路，实现算术运算/逻辑运算。

控制器

• CU（Control Unit）：控制单元，控制器的核心元件，集成复杂电路，分析指令，发出控制信号；
• IR（Instruction Register）：指令寄存器，存放当前执行的指令；
• PC（Program Counter）：程序计数器，存放下一条指令的地址，有自动加1的功能。

指令执行顺序

PC：取指令

IR：存储指令

CU：分析/执行指令

计算机的工作流程

操作码和地址码是指令，计算机执行时会自动拆分；

指令均存放在存储体中。

“取数”流程：

(寄存器)表示寄存器内容，
M(MAR)->MDR表示将主存储器MAR指向的内容赋值给MDR

1. PC指向主存地址0；
2. PC将主存地址0传入MAR（控制器向主存指明访问数据的地址），控制器通过控制总线告诉主存进行读取操作；
3. MAR去存储体中寻找相应数据，取出并放入MDR；
4. MDR中的指令通过总线传入IR；
5. IR中的操作码被送入CU，CU分析操作码，进行 “取数” 操作；
6. “取数” 操作将指令的地址码传入MAR；
7. 同上，主存储器根据M(MAR)将存储体中相应数据放入MDR；
8. 在CU的指挥下，(MDR)=a被送入ACC中。

以上为“取数”指令，
1～4为取指令，（取指令结束后，PC++，移向下一条指令）
5分析指令，
6～8执行指令。

“乘法”流程：

1. 取指令(PC)=1；（取指令过程同上）
2. IR储存指令，将操作码送入CU， CU分析知“乘法”指令 ；
3. “取数据”(MAR)=6（过程同上）;
4. 因为是乘法操作，所以总线控制MDR将b值存入MQ；
5. 将ACC的a值放入X中，即(X)=2（ 执行乘/商操作时，被乘数放入X，乘数放入MQ ）；
6. CU告诉ALU执行乘法运算，ALU将(X)和(MQ)相乘，结果存入ACC（若乘积过大，需要MQ辅助存储）。

“加法”流程：

1. 取指令…；
2. 分析指令…；
3. 执行指令：
   1. CU得知是加法指令，开始协调各部件工作；
   2. 按主存地址2的地址码取c存入MDR后，令(X) <- (MDR) = c = 1；（ 执行加法时，ACC存入被加数，X存入加数 ）
   3. CU向ALU发送信号，(ACC) <- (ACC) + (X)；

关于加/乘法规律小总结：
加法运算指令地址码内容(加数)存入X；
乘法运算指令地址码内容(乘数)存入MQ，ACC内容存入X。

“储存”流程：

将ab+c存入主存单元，取/分析指令同上。

“存数”指令是把ACC中的数据存到地址码指明的存储单元中。

执行指令：…

1. 指令3地址码传入MAR，指明存入的存储单元；
2. ACC中的结果传入MDR，指明储存内容；
3. CU通过控制总线告诉存储体进行存储操作。

(PC)<-4，终止进程，利用中断机制通知 操作系统 终止该进程。

必经步骤：
取指令、分析指令、执行指令、指令结束

总结和知识回顾

一个指令由操作码和地址码组成！

**CPU区分指令和数据的依据是：指令周期的不同阶段。**先取指令，后取数据，CPU就可以区分从内存中取出的是指令还是数据。

现代计算机中，MAR、MDR被集成于CPU中！