冯·诺依曼计算机的特点(机器以运算器为中心)
- 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成
- 指令(程序)和数据以二进制不加区别地存储在存储器中
- 程序自动运行
现代计算机由三大部分组成(已经转化为以存储器为中心)
- CPU(Central Processing Unit) 中央处理器,核心部件为ALU(Arithmetic Logic Unit,算术逻辑单元)和CU(Control Unit,控制单元)
- I/O设备(受CU控制)
- 主存储器(Main Memory,MM),分为RAM(随机存储器)和ROM(只读存储器)
一条指令在CPU的执行过程
- Ad(Address) 形式地址
- DR(Data Register) 数据寄存器
- AR(Address Register) 地址寄存器(MAR)
- IR(Instruction Register) 指令寄存器
- BR(Buffer Register) 缓冲寄存器(MBR)
- ID(Instruction Decoder) 指令译码器
- PC(ProgramCounter) 程序计数器
几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU,其工作都可以分为5个阶段:
取指令
指令译码
执行指令
访存取数
结果写回
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。
//PC -> AR -> Memory
//Memory -> IR
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。
在组合逻辑控制的计算机中,指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位,以形成不同的微操作序列;在微程序控制的计算机中,指令译码器用指令操作码来找到执行该指令的微程序的入口,并从此入口开始执行。
3.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。
4.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。
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:结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中,以便被后续的指令快速地存取;在有些情况下,结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态,这些标志位标识着不同的操作结果,可被用来影响程序的动作。
6.循环阶段
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。
//重复 1~5
主存与CPU联系