计算机组成原理之计算机基本组成

今天带领大家来学习在学习计算机生涯当中比较重要的一课——计算机组成原理。我们今天先对计算机的组成部件有一个基本的了解。

一.冯诺依曼计算机

1.冯诺依曼

       约翰·冯·诺依曼在洛斯阿拉莫斯时期就开始从事电子计算机和计算方法的研究。1944年—1945年间，形成了将一组数学过程转变为计算机指令语言的基本方法。他研究了机器中的固定的、普适线路系统，“流图”概念，“代码”概念。计算机的逻辑图式，现代计算机中存储、速度、基本指令的选取以及线路之间相互作用的设计，都受到约翰·冯·诺依曼思想的影响。

二.冯诺依曼计算机的特点

计算机由运算器，存储器，控制器，输入输出设备五大部件组成。

指令和数据以同等地位存放于存储器内，并按地址寻访。

指令和数据均用二进制数表示。

指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，而地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

※指令在存储器内按顺序存放。通常，指令按顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。(这点尤为重要!)

机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

以下为冯诺依曼计算机的硬件构图：

那我们说随着时代的进步，我们现如今的计算机已经发展成了以存储器为中心的模式，但是总的来说计算机的五大部件仍然是冯诺依曼所定义的五大部件。

运算器和控制器共同组成了CPU，而CPU和存储器又构成了我们现在所熟知的主机 。

下面是简单的对于计算机的有一个简单的框图：

以下为现代计算机的组成框图：

三.五大部件的基本功能：

1.运算器（ALU）

        我们从字面意思来理解，运算器顾名思义就是计算机执行运算操作的地方，当然这里的计算不仅仅包括我们在生活中的数学运算，也包含了计算机当中的逻辑运算，而运算器的结果也会同时保存在运算器当中。

       而在运算器当中，还存在着三个寄存器和一个算术逻辑单位元（ACC，MQ，X，ALU）。当然我们在这节是对这三个寄存器有个初步的了解，之后我们会更加深入地学习这三大寄存器。

       以下简单为大家举一个加法的例子：

我们可以简单的来描述一下这个过程，我们将一个数据存放在M地址单元的加数【M】，这里的【M】指的是这个地址里面存放的加数这个数字，而在ACC中存放的是累加器里面的所有内容，【ACC】则是被加数。最后，再将这两个数字相加再次存放到ACC当中，这就是计算机当中加法的计算过程。剩余的减法，除法，乘法计算过程我将在后续的文章中继续讲到。

2.存储器

        关于存储器，它是由存储体，MAR，MDR这三个部件构成的。在存储体当中，又是有若干个若干个存储单元（0/1代码）所组成的。而存储字就是存储单元中二进制代码的组合，存储字长就是这个二进制代码的位数。我们来做个比较形象的比较，我们可以把存储体看做是学校上课的地方，那么存储单元，就是一个个上课的教室。而存储字就是每个教室的编号，而存储字长就是这个编号的长度。只不过在计算机当中，是二进制数。

以下为存储器的结构示意图

 而为了能够实现地址访问的能力，主存里面就有了MAR，MDR这两个寄存器。MAR是存储器地址寄存器，这里面对应的位数则是存储单元的个数。而MDR则是存储器数据寄存器，这里面对应的则是存储单元中存储字长。而随着时代的发展，这两大寄存器也集中在了CPU当中。我们在这里可以提一个小小的知识点，一个字节被定义为8为二进制数！

3.控制器

控制器顾名思义就是说，它是用来控制计算机的任意操作的。那么在这里面有:程序计数器(PC)，指令寄存器(IR)，控制单元（CU）。而PC用来存放当前指令的地址，它与我们之前所说的主存中的MAR有一个通道连接着。为了指令可以直接往下继续执行。所以，PC拥有自动加1的功能（这就取到了下一个指令的地址）。IR用来存放需要执行的指令，里面的指令就来一自主存的MDR。最后一个CU则是用来分析操作，分析指令需要执行的操作是什么？

以下为控制器的结构图:

关于取数和存数以及I/O设备的的操作，我们将在后续过程当中讲述到，有兴趣的可以提前了解一下！

计算机的世界是非常微妙的，让我们在初步了解这些部件的情况下，一起探索计算机世界的奇妙！感谢阅读