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冯诺依曼体系

概念

示意图

功能

特点

广义数据在内存的存储问题

CPU的基本工作原理

全加器和半加器

基本门电路

半加器

电路图

真值表

全加器

电路图

真值表

CPU工作流程

指令结构图

1．取指令阶段

2．指令译码阶段

3．执行指令阶段

4．访存取数阶段

5．结果写回阶段

CPU的中断

处理过程

冯诺依曼体系

概念

数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。

示意图

功能

1）运算器：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）；
（2）控制器：由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。运算器和控制器统称中央处理器，也叫做CPU。中央处理器是电脑的心脏；
（3）存储器：存储器分为内存和外存。内存是电脑的记忆部件，用于存放电脑运行中的原始数据、中间结果以及指示电脑工作的程序。外存就像笔记本一样，用来存放一些需要长期保存的程序或数据，断电后也不会丢失，容量比较大，但存取速度慢。当电脑要执行外存里的程序，处理外存中的数据时，需要先把外存里的数据读入内存，然后中央处理器才能进行处理。外存储器包括硬盘、光盘和优盘；
（4）输入设备：输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔等都属于输入设备。
（5）输出设备：是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机等。

特点

1）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成。
2）指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻址。
3）指令和数据均用二进制代码表示。
4）指令由操作码和地址码组成。操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，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。
6）早期的冯诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器和存储器传送数据。

广义数据在内存的存储问题

数据分为：数字数据和非数数据两种

如果要在计算机中进行“非数数据”的存储，需要把非数数据转换成熟的类型via编码表

字符串->字符 Unicode编码(ASCII编码是其子编码)

图片 RGB编码

声音波形

有限范围内的整数表示：正码，反码，补码 ——>正型数

有限范围内的小数表示：IE标准 ——>浮点数

CPU的基本工作原理

1、取指令：CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。

2、指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作（就是指令里的操作码）、操作数在哪里（操作数的地址）。

3、执行指令，分两个阶段“取操作数”和“进行运算”。

4、修改指令计数器，决定下一条指令的地址。

全加器和半加器

基本门电路

半加器

电路图

真值表

根据真值表，可以快速的得到输入输出关系（逻辑结构）是：
cout = a^b（表示a异或b）也就是(a&(b)+b&(a))
sum = a&b（表示a与b，也就是and(sum,a,b)）

全加器

电路图

真值表

当多位数相加时，半加器可用于最低位求和，并给出进位数。第二位的相加有两个待加数和，还有一个来自前面低位送来的进位数。这三个数相加，得出本位和数（全加和数）和进位数。

CPU工作流程

指令结构图

1．取指令阶段

取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。

程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+1àPC；若为双字长指令，则(PC)+2àPC，依此类推。

2．指令译码阶段

取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。

在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。

3．执行指令阶段

在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。

此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元ALU将被连接到一组输入和一组输出，输入端提供需要相加的数值，输出端将含有最后的运算结果。

4．访存取数阶段

根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。

此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。

5．结果写回阶段

作为最后一个阶段，结果写回（Writeback，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

CPU的中断

早期计算机各个程序只能串行执行、系统资源利用低。为了解决上述问题，人们就发明了操作系统，引入了中断机制，实现了多道程序的并发执行，提高了系统资源的利用率。

注意：中断是多程序并发执行的前提条件。

处理过程

(1) 执行完每个指令后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号。
(2) 如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器、各种通用寄存器）。
(3) 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序。
(4) 恢复进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行。

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每日一图

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真值表

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电路图

真值表

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