【考點(diǎn)】

• 數(shù)據(jù)在存儲體中是按照地址存儲的，每個地址對應(yīng)一個存儲單元；
• 存儲單元數(shù)目=$2^{MAR位數(shù)}$，例如如果MAR為10位，則存儲單元數(shù)目為$2^{10}=1024$。它用于尋址，其長度和PC長度一致
• MDR的位數(shù)表示存儲字長，例如MDR為16，表示存儲字長為16，也表示1個字(word)=16bit
• 注意區(qū)分字（word）和字節(jié)（Byte），1個字節(jié)等于8個bit，而1個字的大小取決于機(jī)器
• 1B=1個字節(jié)，1b=1個bit

（2）運(yùn)算器

運(yùn)算器是計算機(jī)的執(zhí)行部件，用于進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算

• 算數(shù)運(yùn)算：比如加減乘除
• 邏輯運(yùn)算：比如與、或、非、異或、比較等等

A：運(yùn)算器基本結(jié)構(gòu)

其中ALU是運(yùn)算器造價最為高昂的部分，其實(shí)就是一堆復(fù)雜的電路

其余三個分別是寄存器，輔助ALU完成計算功能，作用如下了解即可

B：運(yùn)算器過程偽代碼描述

設(shè)M為主存中的某一個存儲單元，(M)表示取M中的數(shù)據(jù)，->表示將內(nèi)容送入寄存器

加法實(shí)現(xiàn)：假設(shè)ACC中已經(jīng)存在一個數(shù)，那么首先取M的內(nèi)容送入操作數(shù)寄存器X，即(M)->X；然后兩者相加重新送入寄存器ACC中，即(ACC)+(M)->(ACC)

乘法實(shí)現(xiàn)：假設(shè)ACC中已經(jīng)存在一個數(shù)，那么首先取M的內(nèi)容送入乘商寄存器MQ作為乘數(shù)，即(M)->MQ，再取ACC寄存器的內(nèi)容放入X寄存器作為被乘數(shù)，即ACC->X，接著將ACC清零，即0->ACC，然后乘數(shù)乘以被乘數(shù)，一個送入乘積高位，一個送入乘積低位，即(X)×(MQ)->ACC//MQ

除法實(shí)現(xiàn)：假設(shè)ACC中已經(jīng)存在一個數(shù)，首先取M的內(nèi)容送入X作為除數(shù)，即(M)->X，ACC中的內(nèi)容作為被除數(shù)，結(jié)果一個放入MQ作為整數(shù)部分，即(ACC)/(X)->MQ，另一個放入ACC作為余數(shù)，即(ACC)%(X)->ACC

（3）控制器

控制器是計算機(jī)的指揮中心，由其指揮各部件自動協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作

A：指令

計算機(jī)指令就是指揮機(jī)器工作的指示和命令，程序本質(zhì)就是一系列按照一定順序排列的指令
控制器靠指令指揮機(jī)器工作，人們用指令表達(dá)自己的意圖，并交給控制器執(zhí)行

指令=操作碼+地址碼

操作碼就是指示計算機(jī)要干什么，地址碼可以理解為干這些事情需要的原材料在哪里，比如主存中就有可能存儲一些我們需要用到的數(shù)據(jù)，甚至可以是一些IO設(shè)備，比如鍵盤的地址

B：控制器基本結(jié)構(gòu)

控制器基本結(jié)構(gòu)如下

• 控制單元（CU）：分析指令、發(fā)出信號、協(xié)調(diào)操作
• 指令寄存器（IR）：存放當(dāng)前要執(zhí)行的指令，注意內(nèi)容來源于MDR，因?yàn)橹噶詈蛿?shù)據(jù)一樣也被存在存儲器
• 程序計數(shù)器（PC）：存放當(dāng)前要執(zhí)行的指令地址， 與MAR直接連通，并且可以自動+1

C：控制器過程偽代碼描述

完成一條指令的過程為：取指令（PC）->分析指令（IR）->執(zhí)行指令（CU）

具體過程：首先取出指令，即(IR)，接著獲取指令的操作碼，即OP(IR)，然后獲取指令的地址碼，即AD(IR)，然后將操作碼送入控制單元分析，即OP(IR)->CU，操作碼表示需要干什么，但是干活需要原材料，所以再把指令的地址碼送入MAR，AD(IR)->MAR,從MAR指示的存儲體取出原材料即可。

結(jié)合前面的加法，我們可以寫出完整的加法運(yùn)算的過程的： 首要取加法指令，而指令存儲在存儲體中，想要取出指令必須要知道的指令的地址，而這個地址就存放在PC中，PC又和MAR直接相連，即(PC)->MAR，于是指令此時被放入了MDR中，那么接著將指令放入IR中，即(MDR)->IR,接著取指令的操作碼送入控制單元，即OP(IR)->CU，然后再把原材料（就是一些操作數(shù)）的地址碼送入MAR，即AD(IR)->MAR。接著就可以進(jìn)行加法操作了，由于上一步已經(jīng)將操作數(shù)的地址碼送入了MDR中，所以現(xiàn)在送入操作數(shù)寄存器，即(MDR)->X，然后(ACC)+(X)->ACC，最后PC要自增，即(PC)+1->PC，表示下一條指令

精華：計算機(jī)的工作過程

學(xué)習(xí)到這里，我們就可以從硬件到角度分析一下，看似簡單的C語言代碼，在背后計算機(jī)究竟做了多少事情
以下程序非常簡單，聲明了4個變量并賦值，然后在main函數(shù)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算

經(jīng)過編譯器編譯后，這段程序在主存中就是這樣的

• 下半部分是定義的變量，上半部分則是對應(yīng)于高級語言對應(yīng)的機(jī)器指令

為了方便演示，我們將控制器、運(yùn)算器和存儲體也放在旁邊

第一組
1：程序開始運(yùn)行，PC的值為0，保存的是第一條指令的地址。然后將PC的內(nèi)容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=0。也就是說控制器向存儲器指明，我接下來要訪問主存0號地址處的數(shù)據(jù)，同時告訴存儲器進(jìn)行讀操作

2+3：主存儲器會根據(jù)MAR記錄的地址信息，到存儲體中找出0號地址對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其放入到MDR中，此時MDR中存放了第一條指令。即M(MAR)->MDR，此時MDR=000001 0000000101

4：接著將MDR中的指令放入IR中，于是控制器就存放了當(dāng)前要執(zhí)行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000001 0000000101

5：這條指令的前6個比特位是地址碼，會被送入到控制單元CU中，CU分析后，得知這是一條取數(shù)命令。即OP(IR)->CU

6：取數(shù)指令會將變量a的內(nèi)容放入寄存器ACC中。但是現(xiàn)在變量a不知道在哪里，所以現(xiàn)在會把指令的地址碼送到MAR當(dāng)中，即(MAR)=5

7+8：接著主存儲器根據(jù)MAR指明的地址，也就是a的地址（5），去存儲體中找出5號地址的數(shù)據(jù)，并將其放入MDR當(dāng)中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000010，也即(MDR)=2

9：接著在控制單元的指揮下，MDR中的數(shù)據(jù)就被放入到了ACC中。至此第一條指令完成

10：最后PC自增1，進(jìn)行下一條指令，即(PC)=1

接下來進(jìn)行下一組操作

1：程序接著運(yùn)行，PC的值為1，保存的是第二條指令的地址。然后將PC的內(nèi)容，也就是指令的地址送入到MAR中，即(PC)->MAR,MAR=1。也就是說控制器向存儲器指明，我接下來要訪問主存1號地址處的數(shù)據(jù)，同時告訴存儲器進(jìn)行讀操作

2+3：主存儲器會根據(jù)MAR記錄的地址信息，到存儲體中找出1號地址對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其放入到MDR中，此時MDR中存放了第二條指令。即M(MAR)->MDR，此時MDR=000100 0000000110

4：接著將MDR中的指令放入IR中，于是控制器就存放了當(dāng)前要執(zhí)行的指令。即(MDR)->IR，(IR)=000100 0000000110

5：這條指令的前6個比特位是地址碼，會被送入到控制單元CU中，CU分析后，得知這是一條乘法命令。即OP(IR)->CU

6：接著把指令的地址碼送到MAR當(dāng)中，即(MAR)=6

7+8：接著主存儲器根據(jù)MAR指明的地址，也就是b的地址（6），去存儲體中找出6號地址的數(shù)據(jù)，并將其放入MDR當(dāng)中。即M(MAR)->MDR,(MDR)=0000000000000011，也即(MDR)=3

9：由于是乘法，所以控制單元將MDR中的內(nèi)容送入到乘商寄存器MQ中，即(MDR)->MQ，此時(MQ)=0000000000000011=3

10：先把a(bǔ)的值放入通用寄存器X中，即(ACC)->X,(X)=2

11：CU告訴ALU，讓其進(jìn)行乘法運(yùn)算。即(MQ)×(X)->ACC,(ACC)=6。注意如果乘積過大，需要MQ輔助存儲，也就是最上面講到過的(X)×(MQ)->ACC//MQ

接著進(jìn)行下一組操作，具體過程就不詳細(xì)演示了，步驟如下

• 1:PC存儲2號指令的地址，(PC)->MAR,(MAR)=2
• 2+3:M(MAR)->MDR,(MDR)=000011 0000000111
• 4:(MDR)->IR，(IR)=000011 0000000111
• 5:OP(IR)->CU,CU分析操作碼，得知這是加法執(zhí)行
• 6:Ad(IR)->MAR，將指令的地址碼送入MAR,(MAR)=7
• 7+8:M(MAR)->MDR，(MDR)=00000000 00000001=1
• 9:(MDR)->x,(X)= 00000000 00000001=1
• 10:(ACC)+(X)->ACC,(ACC)->7，由ALU實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算

接著進(jìn)行下一組操作

• 1:(PC)->MAR,(MAR)=3
• 2+3:M(MAR)->MDR,MDR=000010 0000001000
• 4:(MDR)->IR,(IR)000010 0000001000
• **5:**OP(IR)->CU,CU分析得知，這是存數(shù)指令
• 6:AD(IR)->MAR,(MAR)=8
• 7+8:(ACC)->MDR,MDR=7
• 9:(MDR)->地址為8的存儲單元，導(dǎo)致y=7

最后再讀取到停機(jī)指令時，計算機(jī)通過中斷機(jī)制就結(jié)束了程序的運(yùn)行

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的(计算机组成原理)第一章计算机系统概述-第二节：计算机硬件组成(存储器、运算器和控制器概述及计算机工作过程详解)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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