计算机基本组成及其内部元件细节随笔

前言

本文主要讲述计算机的基本组成（硬件部分）以及内部元件的相关细节

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一、计算机体系结构

冯诺依曼体系结构：

以运算器为中心：

这里我们可以将整个部分看做一家工厂：

输入设备 -- > 进货部门
运算器 -- > 加工部门
存储器 -- > 仓库
控制器 -- > 指挥总裁
输出设备 -- > 出售

运算器原本应该是只做运算相关的操作，但是从图中可以看出，基本所有的操作都经过了运算器，就好比工厂进货部门原可以直接将原材料存放到仓库，但是这里必须要先转交给加工部门，再由加工部门存放到仓库，出售过程也是如此。使得运算器在进行运算的负荷下还要进行其他的相关操作。可想而知，在效率性能方面都会有所下降！

而现代计算机借此演变：

以存储器为核心：

现代计算机往往将运算器将控制器集成在一个芯片中，也就是现代CPU ：运算器 + 控制器；

二、内部元件细节

1.存储器(这里只谈论主存，不考虑辅存)

主存：

MAR(Memory Address Register) : 存储地址寄存器
MDR(Memory Data Register) : 存储数据寄存器
存储单元：存放一串二进制代码

MAR地址寄存器找到的就是存储体中的地址，而MDR数据寄存器对应的就是存储单元中存储的二进制数

比如一个取数操作：CPU通过MAR地址寄存器中的地址信息去存储体中定位到相应的位置，将地址中存放的数据取出来，存放到MDR中，再交给CPU；
同样，对于一个存数操作：CPU将地址告诉MAR,再将地址告诉MDR，将一个数据存放到存储体中的相应位置。

整个过程与我们平时快递取件相同：
首先我们要告诉店员取件以及取件号，店员通过取件号在快递货架上找到快递，在返回放到柜台上，我们再从柜台取走快递。这个过程中，我们就相当于计算机CPU，店员相当于MAR，快递货架相当于存储体，放置快递的柜台相当于MDR。

2.运算器内部细节

MQ ： 乘商寄存器，主要用于乘除操作，操作数的存放
ACC : 累加器，主要用于加减操作，操作数的存放
ALU ：主要用于做运算（核心部件，成本也最高）
X ： 通用寄存器，存放操作数

3.控制器的内部细节

CU : 控制单元，指令分析，给其它组件发出控制信号
IR : 指令寄存器，存放当前执行的指令
PC ：程序计数器，存放下一条指令的地址，有自动加一功能

4.例子：执行一条指令的流程

执行 Y = A * B 操作

1. PC = 0，指向第一条指令的存储地址，这里可以对应存储体的类图。
2. PC --> MAR ，使得MAR = 0，PC自动加1
3. 通过MAR定位到存储体（0）的位置
4. MAR --> MDR ，将对应位置的二进制码取出，存放到MDR
5. MDR --> IR ，IR 就等于一串二进制码，包含两个部分，一部分二进制数会传递给CU分析这是什么指令，另一部分二进制数是地址，用于通过MAR找到存储体中的数据。对应6、7两步
6. IR --> CU ，指令的操作码送到CU，CU分析得知这是一个取数指令
7. IR --> MAR ，指令的地址码送到MAR
8. MAR --> MDR,由MAR再次定位到存储体，找到要进行操作的数据，取出到MDR
9. MDR --> ACC ，将要操作的数据存放到ACC累加器
10. 后续取B的值也是一样了，不过在CU分析的时候，会得到这是一个乘法指令，并将操作数存到MQ中
11. ACC --> X ，将ACC中的值存放到X通用寄存器中
12. (MQ)* (X) --> ACC ，ALU运算器进行乘法操作，再将运算后的值存放到ACC
13. 在进行存数指令，同理即可！

总结

本文简单的介绍了计算机的基本组成——由存储器 、到控制器、到运算器的内部工作细节。水平尚浅，不恰当之处还请指正！！！