7.1 馮·諾依曼結構
7.1.1 馮·諾依曼結構的組成部分
（1）輸入、輸出設備
1）輸入設備：向計算機輸入數據，比如，
·通過攝像頭、MIC，將圖像/聲音等轉成二進制數據給計算機
·從網卡輸入數據給計算機等
·其它
2）輸出設備：從計算機輸出數據，比如，
·通過顯示器、揚聲器，將二進制數據翻譯稱爲圖片/視頻/聲音等供人能夠識別
·或者通過網卡輸出數據給別的計算機
·其它
（2）存儲器：存儲程序和數據
（3）運算器：進行算術運算和邏輯運算
（4）控制器：解釋程序指令，將程序指令轉爲對應的一條一條的微指令，這些微指令會控制運算器等部件工作，進行比如，
·數據的算術、邏輯運算
·數據的搬移，比如從CPU的寄存器搬移到內存，或者從內存的某個位置搬移到內存的另一個位置。
·等等
7.1.2 結構圖
7.2 哈佛結構
與馮諾·依曼結構相對應的是哈佛結構，我們會在後面詳細講解這兩種結構之間的異同和優缺，爲了便於講解的方便，這邊還是以經典的馮諾·依曼結構爲例，進行計算機組成結構的介紹。
7.3 詳細結構
7.3.1 詳細結構圖（PC）
7.3.2 各部分簡述
計算機的詳細組成總體上可以分爲三大部分，CPU，總線與接口、外部設備，核心部分主要就是cpu/總線，外部設備總體上分爲輸入設備和輸出設備，而核心部分與外部設備通過接口連接。
（1） cpu
1）運算器
（a）作用：根據指令要求，對數字電信號的二進制數據，進行算術運算和邏輯運算，
（b）運算器組成
·ALU：Arithmetic Logic Unit，算術運算單元，進行算數運算和邏輯運算
·（通用）寄存器組：用於存放ALU在進行算術/邏輯運算時，運算過程中涉及到的一些中間值和計算結果值。
·乘商寄存器：專門用於存放乘法和除法運算中間值和結果值。
·CVZS：各種ALU運算需要用到的標誌位
C：進位、借位標誌，如果有進位或者借位，C=1，否則C=0。
Ｃ的應用舉例：請寫彙編代碼計算13208 + 34535相加後的值。
答：爲了便於編程時好理解，我們先將這兩個二進制的數，轉爲16進制，即OX3398+0X86E7。
彙編實現這兩個數的相加的大致步驟如下圖所示。
總結：從這個例子就可以看出，C進位/借位標誌位的作用，有關借位作用同理，就不再贅述。如果你想了解跟多，我們在 後面嵌入式技術課程中，在講有關彙編時，還會將這方面的內容。當然我們這裏在強調一點，我們學習彙編並不是爲了
使用會變來進行開發，而是通過彙編理解計算機的工作原理。
有些同學說，我用C語言的等高級語言寫代碼，這些標誌位也會用的上嗎，也會用得上，百年一起在編譯時，C語言會被翻譯爲彙編，翻譯爲彙編後，進行加法的算術運算時，同樣會按照同樣的方式使用C進/借位標誌位。
Z：運算結果是否爲零標誌，如果結果爲0，Z=1，否者Z=0。
應用舉例：比較兩數是否相等，比如a=3，b=3，判斷兩數是否相等，寫成彙編程序的話，實際上就是將兩數相減(算術運算)，
如果Z=1表示a和b的值相等，否則不相等。
V：溢出標誌，有溢出，V=1，V=0
（1）什麼是溢出
比如一個32位的寄存器，只有32位，所能裝的二進制的數的最大情況就是32個1,即11111111 11111111 11111111 11111111，如果再往裏面加一個1的話，就向33爲進1了，但是寄存器只有32爲，不存在33爲，溢出的哪個1不存在了，寄存器中的32個bit，全部是0，即00000000 00000000 00000000 00000000，因此溢出回事數值發生巨大突變，在真實的計算機中，溢出會導致數據的值發生錯誤，導致計算結果產生很大的問題。
（2）爲什麼要檢查溢出
從上面的描述中，不難看出，溢出的檢查很有意義，通過基礎標誌V的檢查，就可以知道數據有無溢出，如果沒有溢出證明數據是沒問題的，否者數據的值可能存在問題，需要做相應的處理。
高級語言，比如C語言實現兩個很大數計算時，如果數據計算機結果因爲太大而溢出，當你使用這個溢出的數據時，會有溢出提醒，這個溢出提醒就是通過，C語言程序被編譯後的彙編程序，檢查V這個溢出標誌位得到的，我們在後面將C語言時，還會講到有關溢出事情。
S：有時用是N，當兩個有符號數進行運算時，S=1表示運算的結果爲負數，S=0表示運算的結果爲正數或零。
應用舉例：比較a、b兩數的大小，寫成程序的話，我們會讓兩個數進行減法減法運算，如果S=1，表示是一個負數，說明a<b，如果S=0，說明a等於或者大於b，這個時候需要在查詢Z標誌位，如果Z標誌位爲1，表示a等於b，否者說明a小於b。
2）cpu的控制器
（a）作用：最重要的功能就是對指令進行譯碼，然後將指令轉成微指令，再由微指令控制計算機工作，比如
· 控制ALU，讓ALU進行數據的算術、邏輯運算
· 進行數據的移動，比如從CPU的寄存器移到內存中，或者從內存的某個位置搬移到內存的另一個位置。
· 等等
（b）控制器組成
· 程序計數器（PC）：Program Counter，程序最開始運行時，PC裏面放的是程序第一條指令在內存中所在的地址，每運行一
條指令，PC裏面的地址就會加1,指向下一個指令，如果一個指令的存放需要4個字節，pc中的地址加1，實際上加的是4個字節。
· 指令寄存器（IR）：Instruction Register，臨時存放從內存中取得的，即將要被解釋運行的指令，指令由兩部分組成，
- 第一部分：操作碼，指明計算機需要執行一個什麼樣的動作，比如有些操作碼錶示做加運算，有些表示要進行數據搬移。
- 第二部分：地址碼，
+ 直接是要被操作碼操作的數
+ 要被操作的數在內存中所在的地址。
MOV
僞指令 101001 1001010101
操作碼 地址碼
· 指令譯碼器（ID）：Instruction Decoder，解釋指令，解釋指令的過程爲，
- 第一步：檢查指令的格式是否合法，是否夾有非法字符、或者非法詞組，有的話，譯碼將不會通過
- 第二步：如果指令被檢查合格了，會提取出操作碼，將操作碼翻譯爲微指令，控制計算機各部分，按照操作碼的要求做事
· 控制存儲器：用於存放微指令程序（或稱微程序），每一操作碼都對應着一個自己的微指令程序，控制存儲器中存放着所有操作碼
所對應的微指令程序。
比如MOV（加運算）操作碼，就有自己的微指令程序，微指令程序是由一條條的微指令構成的，在出廠時，這些微指令程序就被
固化在了控制存儲器中。
· 微指令寄存器：用於臨時存放微指令
（2）總線與io接口
總線與接口的作用就是，將CPU和外部設備連接在一起。-----
1）三大高速總線
（a）作用：高速通信線路，屬於CPU的高速公路
· 地址總線：傳輸地址信號，比如通過傳輸地址信號，找到要操作的內存單元等
· 控制總線：傳輸控制信號
通過地址總線傳輸的地址信號，找到內存的某位置了，接下來到底是往裏面寫數據呢，還是從裏面讀數據呢，那就
要看具體的“指令”了，如果是寫指令，指令經過譯碼器的譯碼後，會被轉爲微指令，微指令會通過控制總線，向內存發
控制信號，表示說，我希望向該內存位置寫數據。
· 數據總線：傳輸數據信號
比如通過地址信號找到內存的某個位置了，控制總線也發出了寫的控制信號，希望對該空間寫數據，那麼寫數據時，就需要
通過數據總線向該內存空間傳輸數據信號的，內存收到這個數據信號後，會將該數據信號鎖存到該內存空間中，那麼這樣就實現了
寫數據的過程。
（b）三大高速總線是分開的
三大高速總線其實是可以合在一起的，但是合成一個的話會忙不過來的，通信的速率會非常低，分成三條總線就好比將高速公
路分成三個車道，不同車走不同的車道，互不相干，效率自然就高。
（c）三大高速總線是並行通信的
使用並行通信的目的也是爲了條通信效率。
（d）三大高速總線所處位置 -------
三大高速總線位於CPU的內部，通過CPU芯片的引腳與外部的IO橋連接在一起。
2）IO接口
（a）作用：負責連接各種的輸入、輸出外部設備
（b）每一個設備都會有屬於自己的IO接口
（c）io接口也有地址、數據、控制三大線，
· io接口的地址線、數據線、控制線，大多數情況都是串行通信的，而且往往是複用的
比如USB通信，usb使用的就是串行通信的，常見的USB2.0有4根線，其中有兩根線，一個是正極電源線，另一個負極電源線，
其它兩根線被複用當作地址線、數據線、控制線使用。
· 不過內存是一個特例，爲了能夠提高內存的訪問速度，內存io接口的地址、數據、控制線都是獨立的，並且使用的是並行通信。
（d）後面的linux驅動課程，主要涉及的就是IO接口相關的內容
linux驅動就是講如何通過編寫驅動程序，去控制這些IO接口，實現與外部設備的通信，有關IO接口這一塊的知識，我們會在後面的
linux驅動技術課程部分詳細講解，所以，io接口是後面Linux驅動課程的核心內容。
（e）io接口所處的位置
· 在芯片的外部：比如pc機（個人電腦），所有IO接口基本都是在CPU芯片的外部
· 集成在芯片內部：比如像單片機，雖然有一部分也是在芯片外部，但是有很大部分IO接口是被直接集成於在了芯片的內部。
3）IO橋
（a）並不是計算機都需要IO橋
IO橋是PC機特有的，除了PC外的其它類的計算機，有些（單片機）就不使用IO橋。---------------
（b）爲什們會使用IO橋
其實是可以不使用IO橋的，沒有IO橋時，所有的“IO接口”都是直接掛接在三大高速總線上的，但是隨着發展，掛接的外部
設備越來越多，直接掛接在總線上，管理是一個麻煩，爲了管理的便利，就加了IO橋，IO接口直接掛接在IO橋上，就由IO橋
來管理衆多的IO接口。
（c）IO橋常常分爲南橋和北橋
南橋對應的就是一個南橋芯片，北橋對應的就是一個北橋芯片，南北橋之間會有相互連接。 -----------
· 南橋：負責CPU與鼠標、鍵盤、磁盤等，通信速率較低的外部設備之間的通信。
· 北橋：負責CPU與內存、顯示器等，通信速率要求較高的外設之間的通信。
（d）io橋所處的位置
io橋指的就是南橋和北橋芯片，位於CPU芯片的外部。
4）地址、數據、控制線相互配合工作
（a）例子：將內存中地址0101字節的內容讀出，寫到CPU通用寄存器R0(地址爲1001)中，假設寄存器R0只有一個字節。
步驟：
第一大步：從內存0101的字節，讀出數據
（1）cpu通過地址線發出0101這個地址信號，內存的0101對應的字節會被選中
（2）cpu解釋並執行“讀指令”，發出“讀”的控制信號
通過控制線發送“讀”控制信號後，之前被選中的0101字節，就被設置爲了可讀，設置爲可讀後，內存0101字節中的數據2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2.5v（11001001）會被讀出，讀的過程，其實就是通過數據線將電信號導出，由於內存的數據、地址、控制線是並行傳輸的，那麼在並行數據線上，此時擁有與2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2.5v相同的電平狀態。
與此同時，哪些掛在地址、數據、控制線上的，與本次操作不相干的其它內存字節，全部爲高阻狀態，爲高阻態時，不會受到數據、地址、控制線上面信號的影響。
第二大步：將數據寫入r0中
（1）cpu通過地址線發出1001地址信號，CPU通用寄存器組中的r0寄存器會被選中
（2）cpu解釋並執行“寫指令”，發出“寫”的控制信號
cpu通過控制線發出“寫”控制信號後，被1001地址選中的r0會被設定會寫狀態，設置爲可寫後，數據線上的數據（電平信號）
2.5v 2.5v 0v 0v 2.5v 0v 0v 2.5v，會被傳輸給r0寄存器，並將電信號鎖存起來，寫過程完畢，而其它寄存器處於高阻態， 不會受到影響。
（b）以上過程，在高級語言程序裏面，只有一條語句
使用高級語言寫程序時，以上過程的過程只需一條a = b就搞定了，但是實際上這句話會被翻譯爲彙編，然後彙編程序被執行時，硬件在指令的控制下，經過以上步驟才能實現數據的讀寫。
（c）疑問
有些同學可能有一個疑問，那就是地址、數據、控制線，在技術上是如何做到只操作想操作哪個字節就操作哪個字節，爲什麼其它直接爲高阻態是不受影響，其個就是我們數字電路里面所學的三態門的工作原理了，具體內容，這裏就不再介紹，後面技術課程涉及到後在講解這樣的問題。
（3）外部設備
1）什麼是外部設備
掛接在外設IO接口上的都是外部設備，與設備在機箱外部還是內部沒關係，不管是在內部還是外部都是外設，外部設備大致分爲三類。
（a）數據的傳輸：比如網卡，負責數據的發送和接收，即是輸入也是輸出設備
（b）數據的存儲：比如像磁盤，SSD（固態硬盤），負責數據的存儲，既能讀數據也能裏寫數據，所以即是輸入也是輸出設備。
（c）數據的翻譯：比如輸入設備MIC，將輸入的聲音翻譯爲電信號的二進制數據。比如顯示器，將電信號的二進制數據翻譯爲人看得見的
圖像和視頻。
2）外部設備所在位置
（a）片內外設
集成在芯片的內部的片內外設，比如xxxxx，後面會講片內外設。只是像PC這種計算機，使用的CPU是一個獨立芯片，很少有片內外設，後面講MCU、SOC時，會提到什麼是片內外設。
（b）片外外設（芯片外部）
·直接在電路板上：內存
·需要通過數據線連接在一起
機殼內：硬盤
機殼外：比如像鼠標，U盤。
3）輸入設備
鍵盤：字符圖形輸入，按下某個按鍵，輸入動作會被翻譯爲ASCII編號數據（以電信號的二進制數形式存在）。
鼠標：光標位置輸入，將鼠標移動轉爲電信號二進制的座標數據
攝像頭：圖形圖像輸入，將其翻譯爲電信號二進制數據
麥克風：聲音輸入，將其翻譯爲電信號二進制數據
觸摸屏：將觸摸位置翻譯爲電信號二進制座標數據
網卡：直接接受別的計算機發送的電信號二進制數據，輸入給計算機
磁盤、SSD：讀取存儲的數據，輸入給計算機
4）輸出設備
顯示器：將CPU按照程序要求處理後的，電信號的二進制的圖形、圖像數據，翻譯成爲圖形圖像給人看
喇叭：將聲數據翻譯成爲人能聽得見的聲音
打印機：將數據輸出到打印機打印，打印機打印
機械手臂：將輸出數據翻譯成爲機械手臂的動作
led燈等：將輸出數據翻譯成爲燈的亮滅
網卡：從計算機輸出數據，傳輸給別的計算機
磁盤、SSD：從計算機輸出數據，寫到磁盤或者SSD中
7.4 爲什們要介紹計算機的組成結構
這裏之所以要介紹計算機的組成結構，主要是有如下兩個原因，
（1）很多同學對於計算機的結構一直是模模糊糊的，都聽說過馮諾·依曼結構，但是沒有多少同學真正的知道這個結構具體是怎樣的，特別是對於計算機較詳細的機構沒有多少同學清楚，所以我們希望給給位同學把這部分的知識補習下。
（2）我們後續的嵌入式技術課程，還會詳細涉及計算機的組成結構，那時會以具體的某個具體的某個開發板爲例進行講解，這裏先籠統的介紹計算機的大體結構，是希望各位同學能有一個基礎的理解，爲我們後面講解更加深入的結構知識時打基礎。
作者：佳嵌工作室
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