计算机中存储器的分类和特点（第一章计算机系统概述-第二节）

比如1个数需要用16位二进制代码表示，那么就需要有16个触发器来保存这些代码，这16个触发器就是一个存储单元。许多存储单元共同构成了一个存储体。然后将PC的内容，也就是指令的地址送入到MAR中，即->MAR,MAR=0。也就是说控制器向存储器指明，我接下来要访问主存0号地址处的数据，同时告诉存储器进行读操作23：主存储器会根据MAR记录的地址信息，到存储体中找出0号地址对应的二进制数据，并将其放入到MDR中，此时MDR中存放了第一条指令。

一：计算机层次结构

（1）早期的冯诺依曼机

冯诺依曼机特点如下

计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备5部分组成
指令和数据以同等地位存储在存储器，并可按地址寻访
指令由操作码和地址码组成，操作码用于表示操作的性质，地址码用于表示操作数在存储器的位置
指令在存储器内按顺序存放。通常指令是按照顺序存放的，但是在特定条件下可以进行设定
早期的冯诺依曼机器以运算器为中心，输入输出设备通过运算器与存储器传送数据

其中，实线是数据线，虚线是控制线（双向）。在这种层次结构下，在控制器的指挥下，输入和输出设备输入一些数据给运算器进行各种运算，如果产生中间结果，就会给存储器，计算完成结果给到输出设备。可以发现这种层次结构容易受到输入和输出设备的牵制，因为他们的速度相较于运算器太慢了，也即是短板效应

（2）现代计算机的组织结构

为了解决I/O设备的速度和CPU速度差异悬殊的问题，现如今的计算机则采用以存储器为中心的计算机组织结构

这种结果使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率

二：计算机硬件概述

（1）存储器

A：存储元、存储单元、存储体、存储字和存储字长

目前我们采用半导体器件来承担存储任务，一个半导体触发器由于有0和1两个状态，就可以记忆一个二进制代码。比如1个数需要用16位二进制代码表示，那么就需要有16个触发器来保存这些代码，这16个触发器就是一个存储单元。

主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含多个存储元，每个存储元存储1位二进制代码0或1.故存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，这串代码的位数称为存储字长，存储字长一般是一个字节（8位）或字节的偶数倍。许多存储单元共同构成了一个存储体。

B：存储器的基本结构

存储器分为主存（内存）和辅存（外存）。CPU可以直接访问的是内存，内存主要存放的是程序和数据，是计算机实现“存储程序”控制的基础；外存中信息必须加载进内存后，CPU才可以访问

主存最基本构成如下。存储体存放二进制信息，MAR存放访存地址，经过地址译码后找到所选存储单元；MBR用于暂时存要从存储器中读入或写入的信息。

【考点】

数据在存储体中是按照地址存储的，每个地址对应一个存储单元；
存储单元数目=2MAR位数
，例如如果MAR为10位，则存储单元数目为210
=1024。它用于寻址，其长度和PC长度一致
MDR的位数表示存储字长，例如MDR为16，表示存储字长为16，也表示1个字(word)=16bit
注意区分字（word）和字节（Byte），1个字节等于8个bit，而1个字的大小取决于机器
1B=1个字节，1b=1个bit

（2）运算器

运算器是计算机的执行部件，用于进行算数运算和逻辑运算

算数运算：比如加减乘除
逻辑运算：比如与、或、非、异或、比较等等

A：运算器基本结构

其中ALU是运算器造价最为高昂的部分，其实就是一堆复杂的电路

其余三个分别是寄存器，辅助ALU完成计算功能，作用如下了解即可

B：运算器过程伪代码描述

设M为主存中的某一个存储单元，(M)表示取M中的数据，->表示将内容送入寄存器

加法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入操作数寄存器X，即(M)->X；然后两者相加重新送入寄存器ACC中，即(ACC) (M)->(ACC)

乘法实现：假设ACC中已经存在一个数，那么首先取M的内容送入乘商寄存器MQ作为乘数，即(M)->MQ，再取ACC寄存器的内容放入X寄存器作为被乘数，即ACC->X，接着将ACC清零，即0->ACC，然后乘数乘以被乘数，一个送入乘积高位，一个送入乘积低位，即(X)×(MQ)->ACC//MQ

除法实现：假设ACC中已经存在一个数，首先取M的内容送入X作为除数，即(M)->X，ACC中的内容作为被除数，结果一个放入MQ作为整数部分，即(ACC)/(X)->MQ，另一个放入ACC作为余数，即(ACC)%(X)->ACC

（3）控制器

控制器是计算机的指挥中心，由其指挥各部件自动协调地进行工作

A：指令

计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序本质就是一系列按照一定顺序排列的指令

控制器靠指令指挥机器工作，人们用指令表达自己的意图，并交给控制器执行

指令=操作码地址码

操作码就是指示计算机要干什么，地址码可以理解为干这些事情需要的原材料在哪里，比如主存中就有可能存储一些我们需要用到的数据，甚至可以是一些IO设备，比如键盘的地址

B：控制器基本结构

控制器基本结构如下

控制单元（CU）：分析指令、发出信号、协调操作
指令寄存器（IR）：存放当前要执行的指令，注意内容来源于MDR，因为指令和数据一样也被存在存储器
程序计算器（PC）：存放当前要执行的指令地址， 与MAR直接连通，并且可以自动 1

C：控制器过程伪代码描述

完成一条指令的过程为：取指令（PC）->分析指令（IR）->执行指令（CU）

具体过程：首先取出指令，即(IR)，接着获取指令的操作码，即OP(IR)，然后获取指令的地址码，即AD(IR)，然后将操作码送入控制单元分析，即OP(IR)->CU，操作码表示需要干什么，但是干活需要原材料，所以再把指令的地址码送入MAR，AD(IR)->MAR,从MAR指示的存储体取出原材料即可。

结合前面的加法，我们可以写出完整的加法运算的过程的：首要取加法指令，而指令存储在存储体中，想要取出指令必须要知道的指令的地址，而这个地址就存放在PC中，PC又和MAR直接相连，即(PC)->MAR，于是指令此时被放入了MDR中，那么接着将指令放入IR中，即(MDR)->IR,接着取指令的操作码送入控制单元，即OP(IR)->CU，然后再把原材料（就是一些操作数）的地址码送入MAR，即AD(IR)->MAR。接着就可以进行加法操作了，由于上一步已经将操作数的地址码送入了MDR中，所以现在送入操作数寄存器，即(MDR)->X，然后(ACC) (X)->ACC，最后PC要自增，即(PC) 1->PC，表示下一条指令

精华：计算机的工作过程

学习到这里，我们就可以从硬件到角度分析一下，看似简单的C语言代码，在背后计算机究竟做了多少事情

以下程序非常简单，声明了4个变量并赋值，然后在main函数内进行运算

int a=2,b=3,c=1,y=0; void main() { y=a*b c; }

经过编译器编译后，这段程序在主存中就是这样的