主存储器的基本构成
类比：菜鸟驿站
情景再现
- 我们（CPU）拿取件号（地址）——给MAR（店员）
- 店员把货架上的目标包裹（数据）——放到柜台（MDR）——我最后从柜台（MDR）取走包裹。
当然，数据可以存入也可以读出，我们可以取出包裹，也可以存放包裹（临时），只要告诉MAR（店员）即可。
补充
- 虽然是说逻辑上MAR、MDR属于主存
- 但是现在的计算机通常把MAR、MDR也集成在CPU内
存储体内部相关概念
- 存储单元：存放一串二进制代码的一个”小格子“、”小区域“
- 存储字(word)：存储单元中存放的这一串二进制代码
- 存储字长：存储单元中存放的二进制代码的位数
- 存储元：即存储二进制的电子元件（电容，因为电容可以存储电荷），每个存储元可存1bit
比如要在地址 2 存储数据
-
将要存入的目标地址”2“ 给到MAR
- MAR的位数反映了存储单元的个数；
- 就像在店员的认知内，这个驿站有多大。
-
将要存放的存储字给到MDR——所以，MDR 位数 = 存储字长——柜台的大小，这里能放多大的包裹
例：存储体有多大？
-
MAR = 4bit —— 总共有2^4 个存储单元
-
MDR = 16bit —— 每个存储单元可存放16bit
B与b
易混淆:1个字节(Byte） = 8bit 1B=1个字节，1b=1个bit
-
商家广告：100Mbps的宽带
-
但它是小写的b，所以实际上是12.5MB/s
运算器的基本组成
运算器:用于实现算术运算（如:加减乘除）、逻辑运算（如:与或非)
- ACC:累加器,用于存放操作数，或运算结果。
- MQ:乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。
- X:通用的操作数寄存器，用于存放操作数
- ALU:算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算
- 各自存放内容：
控制器的基本组成
- CU（Control Unit）：控制单元，分析指令，给出控制信号IR:指令寄存器，存放当前执行的指令
- PC（Program Counter）：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能
- IR（lnstruction Register）：指令寄存器
-
控制器是霸道总裁
-
但是 CU 控制单元是霸道总裁的老婆
-
霸道总裁是个耙耳朵，自然是要听CU的
指令
完成一条指令：
- 取指令 PC
- 分析指令 IR【以上1、2可以定为一个取指环节】
- 执行指令 CU
计算机工作过程
各寄存器的注释：
- M:主存中某存储单元
- ACC、MQ、X、MAR、MDR...:相应寄存器
- M(MAR):取存储单元中的数据
- (ACC):取相应寄存器中的数据
- OP(IR):取操作码
- Ad(IR):取地址码
- |||||||||||||
- 每一个存储单元是16bit的存储字长
- 只不过执行的时候，CPU会把它拆解成两部分、操作码、地址码
- 每一次的指令执行过程都分为三个阶段：取指令、分析指令、解析指令
CPU区分指令和数据的依据:指令周期的不同阶段
在取指令的阶段，MDR的内容一定是给IR
但是在执行阶段，CU是来决定MDR的数据给ACC、MQ或者是X
例子
int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main(){
y=a*b+c;
}//化成如下机器语言
1、取数
- 初:(PC)=0，指向第0条指令的存储地址
- (PC) → MAR，导致(MAR)=0
- M(MAR)→ MDR，导致(MDR)=000001 0000000101
- (MDR)→IR，导致(IR)=000001 0000000101
- OP(IR)→CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是”取数“指令
- Ad(IR)→MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=5
- M(MAR)→MDR，导致(MDR)=0000000000000010=2
- (MDR)-→>ACC，导致(ACC)=0000000000000010=2
2、取乘法指令
- 上一条指令取指后PC自动+1，(PC)=1;执行后，(ACC)=2
- (PC)→MAR，导致(MAR)=1
- M(MAR)→MDR，导致(MDR)=000100 0000000110
- (MDR)→IR，导致(IR) = 000100 0000000110
- OP(IR)→Cu，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是“乘法”指令
- Ad(IR)→MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=6
- M(MAR)→MDR，导致(MDR)=0000000000000011=3
- (MDR)→MQ，导致(MQ)=0000000000000011=3
- (ACC)→x，导致 (X)=2
- (MQ)*(X)→ACC，由ALU实现乘法运算，导致(ACC)=6，如果乘积太大，则需要MQ辅助存储
3、执行加法指令
- 上一条指令取指后(PC)=2，执行后，(ACC)=6
- (PC)→MAR，导致(MAR)=2
- M(MAR)->MDR，导致(MDR)= 000011 0000000111
- (MDR)→IR，导致(IR)= 000011 0000000111
- OP(IR)→CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是“加法”指令
- Ad(IR)→MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=7
- M(MAR)→MDR，导致(MDR)=0000000000000001=1
- (MDR)→x，导致(X)=0000000000000001=1
- (ACC)+(X)→ACC，导致(ACC)=7，由ALU实现加法运算
4、存储数据
- 上一条指令取指后(PC)=3，执行后，(ACC)=7
- (PC)-→>MAR，导致(MAR)=3
- M(MAR)→>MDR，导致(MDR)=000010 0000001000
- (MDR)→lR，导致(IR)= 000010 0000001000
- OP(IR)→CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是“存数”指令
- Ad(IR)→>MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=8
- (ACC)->MDR，导致(MDR)=7
- (MDR)→地址为8的存储单元，导致y=7
5、停机指令
- 上一条指令取指后(PC)=4
- (PC)→>MAR，导致(MAR)=3
- M(MAR)→>MDR，导致(MDR)=000110 0000000000
- (MDR)>IR，导致(IR)= 000110 0000000000
- OP(IR)→CU，指令的操作码送到cu，CU分析后得知，这是“停机”指令
- 随后利用终端机制通知操作系统终止该进程。