冯·诺依曼模型

概述

计算机运行前提：

1. 任务描述
2. 计算机本身的运行能力

组成部分

1. Memory
2. Processing Unit
3. Input
4. Output
5. Control Unit

内存

结构：门电路和锁存器组成 门电路： 与或非门 锁存器：

1. R-S锁存器

一开始处于静态： R = 1，S = 1 假设：输出 a= 1,则A=1, 由与非门特性得到b=0，即B=0，继而得到a=1 相反，输出 a= 0,则A=0, 由与非门特性得到b=1，即B=1，继而得到a=0 结论： 只要输入的值R S都保持为1时，输出a的值就不变 => “记忆”能力或存储能力 写入：保持R=1不变，set S=0,则输出a= 1, 同理，相反亦如此。

2. 门控D锁存器

WE => Write Enable 当且仅当 WE=1时，才使得输出值等于D

寻址空间： 能最多用到多少内存 寻址能力：每个内存位置中包含的bit数目 32位操作系统最大可接受内存： 2^32/1024/1024/1024 = 4G 64位操作系统最大可接受内存： 2^64/1024/1024/1024 = 17179869184G 例：      4G内存条的寻址空间：2^32

内存的读操作

1. 向内存提供被访问内存单元的地址
2. 将被访问内存单元的地址放入CPU的内存地址寄存器（Memory Address Register，MAR）
3. 发送读信号通知内存
4. 内存将该单元中存放的数据传送至内存数据寄存器（Memory Data Register，MDR）

内存的写操作

1. 向内存提供被访问内存单元的地址
2. 将内存单元的地址放入MAR
3. 将写入的数据放入MDR
4. 发送读信号通知内存
5. MDR的内容写入MAR指向的内存单元

处理单元： 信息真正被处理的地方

• 现代计算机有很多单元组成，每个功能单元负责一个功能。

最简单的功能单元–ALU(Arithmetic Logical Unit)。（冯·诺依曼体系中唯一的功能单元）

功能： 基本运算add,subtract…, 基本逻辑运算and,or,not

临时存储器：通常会在ALU附近配置少量寄存器，一边存放中间计算结果，以免引起不必要的内存访问。常见的设计是一组寄存器，其中每个寄存器宽度与ALU能处理数据的宽度一致。

IO单元

输入：键盘，鼠标，硬盘。。。。。 输出：显示器，硬盘。。。。。

控制单元： 控制其他单元协同工作。

在计算机程序逐步执行过程中，既控制程序执行的每一步，又负责控制其中每条指令执行过程的每一步。

最重要的一个结构：有限状态机

有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。 组成：

1. 状态（有限数目）
2. 外部输入（有限数目）
3. 对外输出（有限数目）

一个简单的状态图：

其中特殊的寄存器：

1. 指令寄存器（instruction register）：保存正在执行的指令

2. PC寄存器（program counter）:保存下一条被执行的指令

program counter or instruction pointer ：程序计数器 还是 指令指针？

指令处理

冯·诺依曼的核心思想是：程序和数据都是以bit流形式存放在计算机内存中，程序在控制单元的控制下，依次完成指令的读取和执行。

指令：计算机最小执行单位，由操作码和操作数组成

指令周期

1. 取指令FETCH

(1) PC-(load)-» MAR (2) MAR -> MDR (3) 控制单元将MDR内容装入IR

2. 译码DECODE

IR指令寄存器中的指令会发送到指令译码部件。

3. 地址计算EVALUATE ADDRESS

如果存在地址计算，则执行此步骤

4. 取操作数FETCH OPERAND

读取指令处理所需要的源操作数

5. 执行EXECUTE

执行需要处理单元控制的操作

6. 存放结果STORE RESULT

将之前的执行结果写入目的寄存器

示例（8个寄存器R0~R7，且寻址模式为基址+偏移量的计算机）

给定一条加操作命令：

给定一条LDR操作命令：