1.1 冯·诺依曼架构特点#

核心思想：存储程序，即将程序和数据存储在存储器中，CPU 按地址依次取出并执行。

主要特点：

1. 五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
2. 以存储器为中心：早期冯·诺依曼机以运算器为中心，现代计算机以存储器为中心
3. 指令和数据均用二进制表示
4. 指令和数据存储在同一存储器中（区别于哈佛架构）

1.2 软件与硬件的逻辑等价性#

三个级别的语言：

• 编译程序：将高级语言一次性全部翻译成汇编语言或机器语言
• 解释程序：将高级语言翻译成机器语言（翻译一句执行一句）
• ISA（指令集体系结构）：定义一台计算机可以支持的指令，以及每条指令的作用

2.1 原码、反码、补码#

定点整数的编码方式：

补码的优势：

1. 消除正负零：原码和反码中+0和-0表示不同，补码中只有一个0
2. 加减法统一：减法可以转化为加法运算
3. 表示范围扩大：8位补码可表示 -128 ~ +127

符号扩展：

• 正数扩展：高位补0
• 负数扩展：高位补1

2.2 溢出判断#

溢出检测方法：

• 单符号位法：操作数符号相同，结果符号相反则溢出
• 双符号位法：结果的两个符号位不同则溢出

3.1 运算器#

3.2 控制器#

重要说明：

• PC 自动指向下一条指令的地址（取指后 PC+1）
• IR 保存当前正在执行的指令
• CU 是控制器的核心，负责分析指令并产生控制信号

4.1 基本组成#

存储体：数据在存储体内按地址存储

关键寄存器：

• MAR（主存地址寄存器）：用于存放要访问的存储单元的地址，位数反映存储单元的个数
• MDR（主存数据寄存器）：用于暂存从存储体读出或写入的数据，位数 = 存储字长

基本概念：

示例：

• MAR = 4位 → 共有 2^4 = 16 个存储单元
• MDR = 16位 → 每个存储单元可存放 16bit
• 1个字（word）= 16bit
• 1字节（Byte）= 8bit，1B = 1Byte，1b = 1bit

5.1 指令格式#

指令由操作码和地址码组成：

地址码的结构：

1
| 操作码 | 地址码1 | 地址码2 | 地址码3 | 地址码4 |

5.2 寻址方式#

6.1 指令执行流程#

指令执行的基本步骤：

1. 取指周期：

   • (PC) → MAR：将程序计数器的内容送到主存地址寄存器
   • M(MAR) → MDR：从存储体读取指令到主存数据寄存器
   • (MDR) → IR：将指令送到指令寄存器
   • OP(IR) → CU：将操作码送到控制单元分析

2. 执行周期（以取数指令为例）：

   • Ad(IR) → MAR：将地址码送到主存地址寄存器
   • M(MAR) → MDR：从存储体读取数据
   • (MDR) → ACC：将数据送到累加器

6.2 取数指令详解#

“取数”指令的执行（从主存指定地址处取数）：

1
取指周期（必经步骤）：
2
    (PC) → MAR
3
    M(MAR) → MDR
4
    (MDR) → IR
5
    (PC) + 1 → PC
6
    OP(IR) → CU
7

8
执行周期（不同指令具体步骤不同）：
9
    Ad(IR) → MAR
10
    M(MAR) → MDR
11
    (MDR) → ACC

• 取指周期：所有指令都必须经历的阶段
• 执行周期：根据指令类型不同，具体操作不同
• PC+1：在取指周期结束时自动执行，指向下一条指令

6.3 乘法指令执行#

乘法指令的执行过程：

1
取指周期：
2
    (PC) → MAR → MDR → IR → CU
3

4
执行周期：
5
    Ad(IR) → MAR → MDR → MQ    # 取乘数到MQ
6
    (ACC) × (MQ) → ACC          # 乘法运算
7
    结果存入主存单元

注意：乘法运算结果可能超出 ACC 的位数，需要 MQ 辅助存储。

6.4 指令周期#

CPU 区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段

指令周期的组成：

• 取指周期：从存储器取出指令
• 间址周期（可选）：如果指令使用间接寻址
• 执行周期：执行指令的操作
• 中断周期（可选）：处理中断请求

7.1 核心知识点#

1. 冯·诺依曼架构：存储程序，五大部件，以存储器为中心
2. CPU 组成：运算器（ACC、MQ、X、ALU）+ 控制器（PC、IR、CU）
3. 存储系统：MAR（地址）、MDR（数据）、存储体
4. 指令系统：操作码 + 地址码，多种寻址方式
5. 指令周期：取指周期 → 执行周期，PC 自动+1

7.2 易错点#

• PC 存放下一条指令的地址，不是当前指令的地址
• IR 保存当前正在执行的指令
• MAR 的位数决定存储单元的个数
• MDR 的位数等于存储字长
• 取指周期取出的是指令，执行周期取出的是数据