c语言冯诺依曼原理,详解冯诺依曼结构运行原理

计算机硬件发展

介绍冯诺依曼结构之前,我们先来介绍一下计算机硬件的发展过程,第一代的计算机主要以电子管作为逻辑原件,汞延迟线,磁鼓作为内存,穿孔纸片,纸带作为外存. 第二代计算机步入晶体管时代,以晶体管作为逻辑原件,磁芯存储器作为内存,磁带作为外存. 后面就是集成电路时代了,从中小型规模到大规模再到超大规模集成电路.

冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构主要是规定了基本计算机的组成, 主要分为控制器,运算器,存储器,输入输出设备,如图所示:

1.png

在现代计算机组成中,存储器分为主存储器和辅存储器, 主机包括了运算器,控制器与主存储器, 而外设包括输入输出设备和辅存储器.

image.png

主存储器构成

主存储器主要有存储体, MAR(存储地址寄存器), MDR(存储数据寄存器) 构成,举个简历例子, 存储体相当于菜鸟驿站的货架, MAR相当于店员,MDR相当于柜台

CPU组成原理

cpu主要包括了运算器与控制器,

运算器包括了 MQ(Multiple-Quotient Registe) 乘商寄存器, ACC(Accumulator) 累加器,ALU(Arithmetic and Logic Unit) 算术逻辑单元, X 通用的操作数寄存器,

控制器包括CU(控制单元),IR(指令寄存器),PC(程序计数器) 存放下一条指令,有自动加一的功能

计算机工作过程

下面通过分析一段C语言代码,解释计算机工作原理

int a = 2,b = 3,c = 1,y = 0;

void main{

y = a * b + c;

}

首先对高级语言经过编译,汇编后存入主存储器:

image.png

下面就是运行原理分析:

image.png

初: (pc)=0:指向第一条指令的存储地址

1.pc --> MAR,导致MAR=0;

MAR通过地址去存储体中寻找地址为0的数据并存入MAR中

3.通过数据总线会把MAR中的数据放入IR中

4.OP(IR) -> CU,指令的操作码发送到CU, CU分析后得知,这是取数指令,所以会调用MAR去取数

5.Ad(IR) ->MAR ,指令的地址码送到MAR,导致MAR等于5

6.MAR 到存储体中寻找数据放大MDR中在CU的控制下放入ACC中

7.PC自动加一,重复1到4步...

8.因为执行乘法操作,CU会把MDR中的b的值放入MQ中

9.CU把ACC中a的值放入X中,通过CU告诉算术逻辑单元,通过ALU进行计算,然后放入ACC中,如果乘积过大还需要MQ做辅存,

10.剩下操作类似...

image.png

计算中的取数指令

image.png

总结:

取值操作都是一样的1-4步,剩下操作根据IR分析指令进行其他操作

停机指令需要系统调用或者使用中断机制停止

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