课程内容
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7. 计算机基本组成结构
7.1 冯诺·依曼结构
7.1.1 冯诺·依曼结构的组成部分
（1）输入、输出设备
1）输入设备：向计算机输入数据，比如，
·通过摄像头、MIC，将图像/声音等转成二进制数据给计算机
·从网卡输入数据给计算机等
·其它
2）输出设备：从计算机输出数据，比如，
·通过显示器、扬声器，将二进制数据翻译成为图片/视频/声音等让人能够识别
·或者通过网卡输出数据给别的计算机
·其它
（2）存储器：实现程序和数据存储
（3）运算器(ALU)： 进行算术运算和逻辑运算
（4）控制器： 解释（理解）程序指令，将程序指令转为对应的一条一条的微指令，这些微指令会控制运算器等部件工作，进行比如，
·数据的算术、逻辑运算
·数据的搬移，比如从CPU的寄存器搬移到内存，或者从内存的某个位置搬移到内存的另一个位置。
·等等
7.1.1 结构图
图
7.2 哈佛结构
与冯诺·依曼结构相对应的是哈佛结构，我们会在后面详细讲解这两种结构之间的异同和各自的优缺，为了便于讲解的方便，这边
还是以经典的冯诺·依曼结构为例，进行计算机组成结构的介绍。
7.3 计算机的详细结构
如果说我们将存储器划归到输入、输出设备里面去的话， 计算机总体上可以分为三大块，即CPU，总线与接口、外部设备（输入输出设备）。
7.3.2 各部分简述
（1）cpu
1）运算器
（a）作用：根据指令要求，对数字电信号的二进制数据，进行算术运算和逻辑运算，
（b）运算器组成
· ALU：Arithmetic Logic Unit，中文叫算术逻辑运算单元，进行算数运算和逻辑运算
·（通用）寄存器组：用于临时存放ALU在进行算术/逻辑运算时，运算过程中涉及到的一些中间值和最终计算结果值。
· 乘商寄存器：专门用于临时存放乘法和除法运算中间值和最终结果值。
· CVZS标志位：ALU运算时，会设置各种标志位
C：进位、借位标志，如果有进位或者借位，C=1，否则C=0。
Ｃ的应用举例：请写汇编代码计算13208 + 34535相加后的值。
答：为了便于编程时好理解，我们先将这两个十进制的数，转为十六进制，即OX3398和0X86E7。
汇编实现这两个数的相加的大致步骤如下图所示。
图
总结：从这个例子就可以看出，C标志位的作用，有关借位作用同理，就不再赘述。如果你想了解跟多，我们在后面嵌入
式技术课程中，在讲有关汇编时，还会将这方面的内容。当然我们这里在强调一点，我们学习汇编并不是为了使用会变
来进行开发，而是通过汇编理解计算机的工作原理。
有些同学说，我用C语言的等高级语言写代码，这些标志位也会用的上吗，当然也会用得上，百年一起在编译时，C语
言写的程序会被编译为汇编，进行加法这种算术运算时，会按照同样的方式使用C进/借位标志位。
Z：运算结果是否为零标志，如果结果为0，将Z设置为1(2.5v)，否者将Z设置为0(0v)。
应用举例：比较两数是否相等，比如a=3，b=3，判断两数是否相等，写汇编程序实现时，实际上就是将两数相减(算术运算)，
如果Z=1表示a-b的结果为零，说明a等于b，否则说明a不等于b。
但是有些同学可能会说，老师，我用C语言写的时候，是直接按照if(a == b)这种形式来写的，没有a-b的过程啊，这是高级
语言的人性化的写法，但是编译器最后都会讲高级语言的程序编译成为汇编程序，汇编程序基本可以等价于机器指令了，
汇编会按照之前描述的方式来判断两数是否相等。
V：溢出标志，有溢出，V=1，V=0
（1）什么是溢出
比如一个32位的寄存器，自然只有32个bit，能装二进制数的最大情况就是32个1,即11111111 11111111 11111111 11111111，
如果再往里面加一个1的话，就向第33位进位了，但是寄存器只有32位，不存在第33位，哪个进位并没有被记录，寄存器
中的32个bit全都变成了是0，即00000000 00000000 00000000 00000000，这种类似的现象就是溢出。
溢出会导致数值发生突变，这种数值的突变，可能会导致计算结果出现错误。
（2）为什么要检查溢出
从上面的描述中，不难看出，溢出可能会带来一些不好的结果，因此溢出的检查是很有意义的，检查到溢出后就能提前
准备应对措施。检查有无益处的方法就是检查V标志位，如果V被设置为了1,表示有溢出，否者就是没有溢出。
S：有时用N表示，意思是当两个有符号数进行运算时，如果结果为负数，S就被设置为1，如果结果为零或者正数的话，S就
被设置为0。
应用举例：比较a、b两数的大小，写成程序的话，我们会让两个数做减法运算，然后检查标志位S，如果
S=1：表示减法的结果是一个负数，说明a<b
S=0：则表明减法结果为0或者正数，说明a大于或者等于b，这个时候需要在查询Z标志位，如果Z标志位为1，表示a等于b，
否者说明a大于b。
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2）控制器
（a）作用：最重要的功能就是进行指令译码，将指令转成微指令，再由微指令控制计算机各部件工作，比如
· 控制ALU，让ALU进行数据的算术、逻辑运算
· 进行数据的移动，比如从CPU的寄存器移到内存中，或者从内存的某个位置搬移到内存的另一个位置。
· 等等
控制器是用于控制和协调整个计算机的动作控制中心，最核心的功能是将每条程序指令解释为微指令，再由微指令控制
计算机各部件做要求的动作，从而让计算机按照程序安排的任务进行工作。
（b）控制器组成
· 程序计数器（PC）：Program?Counter，程序最开始运行时，PC里面放的是程序第一条指令在内存中所在的地址，每运行一
条指令，PC里面的地址就会加1,指向下一个指令，如果一个指令的存放需要4个字节，加1指向下一个指令，pc中的地址实际上
加的是4个字节。
· 指令寄存器（IR）：Instruction?Register，按时存放从内存中取得的，即将要被解释运行的指令，指令由两部分组成，
第一部分：操作码，指明计算机需要执行的某个动作的性质和功能，比如有些操作码表示做加运算，有些表示要进行数据搬移。
第二部分：地址码，这个地址码要么直接是要被操作码操作的数，要么是要被操作的数在内存中所在的地址。
MOV
指令 101001 1001010101
操作码 地址码
· 指令译码器（ID）：Instruction?Decoder，解释指令，解释指令的过程为，
第一步：检查指令的格式是否合法，是否夹有非法字符、或者非法词组，有的话，译码将不会通过
第二步：如果指令被检查合格了，译码器会将指令中操作码和地址码分离，从而提取出操作码
· 控制存储器：用于存放微指令程序（或称微程序），每一操作码都对应着一个自己的微程序，控制存储器中存放着所有
的指令自己所对应的微程序。
比如ADD（加运算）操作码，也一定对应着自己的微程序，微程序是有=由一条条的微指令构成的，在出厂时，这些微指令程序
就被固化在了控制存储器中，该存储器只能读不能写。
指令被译码器译码后，操作码会被提取出来并交给控制存储器，然后再控制存储器中，找到操作码所对应的微程序，输出该微
程序每一条微指令，这些微指令会通过控制中线控制计算机各部分工作。
· 微指令寄存器：临时微指令
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（2）总线与接口
总线与接口的作用就是，将CPU和外部设备连接在一起。-----
1）三大高速总线
（a）作用：高速通信线路，相当于CPU的高速公路
· 地址总线：传输地址信号，通过地址信号找到要操作的寄存器、内存单元等
· 控制总线：传输控制信号，比如通过地址总线找到内存的某位置了，接下来到底是进行读还是写，就由控制总线发控制信号决定
· 数据总线：传输数据信号，比如通过地址找到内存的某个位置了，控制总线发出写的控制信号，希望对其写数据，那么写数
据时，数据信号就是在数据总线上传输的
（b）同学疑问，三大高速总线干嘛不合成一个？
合在一起不是不行，但是合成一个的话会忙不过来的，通信的速率会非常低，分成三条总线就好比将高速公路分成三个车道，
不同车走不同的车道，互不相干。
（c）为了提高通信的效率，三大高速总线是并行通信的
（d）三大高速总线所处位置 -------
三大高速总线位于CPU内部，通过CPU引脚引出后，与外部的IO桥连接在一起。
2）外设IO接口
（a）作用：负责连接各种的输入、输出外部设备
（b）每一个设备都会对应有一个自己的外设IO接口
（c）外设io接口也分为了地址、数据、控制线，只是不少设备IO接口的地址、数据、控制线是复用，比如以USB为例，有4根线，其中
两根是正极和负极电源线，其它两根线被复用当作地址、数据、控制线使用，所谓复用就是一线多用。
不过内存不一样，为了能够提高内存的访问速度，因此内存io接口的地址、数据、控制线都是独立的，而且是还是并行的。
（d）后面的linux驱动主要涉及的IO接口的内容
linux驱动就是讲如何通过编写驱动程序，去控制这些IO接口与各种外部设备通信，有关IO接口这一块的知识，我们会在后面的
linux驱动技术课程部分详细讲解，外设io接口是驱动课程的核心内容，想要深入学习的同学请关注后续的linux驱动课程。
（e）io接口所处的位置
PC：CPU芯片的外部，在电路板上
单片机（MCU）：很多IO接口集成于芯片中
3）IO桥
（a）可以不用IO桥吗
可以，如果没有IO桥，所有的“外设IO接口”都是直接挂接在三大高速总线上的，但是随着发展，挂接的外部设备越来越多，
直接挂接在总线上，太多了，管理是一个麻烦，慢慢的才有了IO桥这个管理者。
（b）IO桥的好处
设备的IO接口直接挂接在IO桥上，IO桥有效的管理着众多的外设IO接口，IO桥里面会有相应的控制芯片，控制IO桥的工作。
（c）南桥和北桥
IO桥分为了南桥和北桥，南桥由南桥芯片负责，北桥由北桥芯片负责，南北桥之间有线路将其连接在一起。 -----------
· 南桥：负责CPU与各类通信速率较低（鼠标、键盘、磁盘）的外部设备之间的通信
· 北桥：负责CPU与内存、显示器等，通信速率要求较高的外设之间的通信
（d）io桥所处的位置
io桥指的就是南桥和北桥芯片，位于CPU芯片的外部，在电路板上。
（d）并不是计算机都需要IO桥
IO桥是PC机特有的，并不是所有的计算机都有的，比如我们后面讲的ARM的开发板，就没有明显的IO桥这个东西。---------------
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4）地址、数据、控制线相互配合工作
（a）例子：比如将内存中地址0101字节的数据读出，写到CPU通用寄存器R0(地址为1001)中，假设寄存器R0只有一个字节。
图：
（b）以上过程，在高级语言程序里面，只有一条语句
使用高级语言写程序时，以上过程的过程只需一条a = b就搞定了，但是实际上这句话会被翻译为汇编，然后汇编程序被执行时，
硬件在指令的控制下，经过以上步骤才能实现数据的读写。
（c）疑问
有些同学可能有一个疑问，那就是地址、数据、控制线，在技术上是如何做到只操作想操作哪个字节就操作哪个字节，为什么其
它直接为高阻态是不受影响，其个就是我们数字电路里面所学的三态门的工作原理了，具体内容，这里就不再介绍，后面技术课程
涉及到后在讲解这样的问题。
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（3）外部设备
1）哪些是外部设备
只要是挂接在外设IO接口上的都是外部设备，与设备所在计算机中的位置没有关系，外部设备大致分为三类。--------------
（a）专门进行数据的传输：比如网卡，负责数据的发送和接收，即是输入也是输出设备
（b）专门进行数据的存储：比如像磁盘，SSD（固态硬盘），负责数据的存储，能读数据，也能写数据，所以即是输入也是输出设备。
（c）专门进行数据的翻译：比如输入设备MIC，将输入的声音翻译为电信号的二进制数据。比如显示器，将电信号的二进制图形、
图像数据翻译为人看得见的图像和视频。
2）外部设备在计算机中所处的位置 --------
（a）片内外设
集成在芯片内部的就是片内外设，只是像PC这种计算机，所使用的CPU是一个独立芯片，很少集成片内外设，外设都在芯片的外
部，我们后面讲MCU、DSP、SOC时，会具体的讲到片内外设。
（b）片外外设
芯片外部的就是片外外设。
· 直接坐在在电路板上：pc的内存
· 需要通过数据线连接到电路板上
机壳内：硬盘
机壳外：比如像鼠标、移动硬盘、U盘。
3）输入设备
键盘：按下某个按键，输入动作会被翻译为某个字符的ASCII编号（以电信号的二进制数形式存在）。
鼠标：屏幕中光标位置输入，将鼠标的移动转为电信号二进制坐标数据
摄像头：图形、图像输入，将光信号的图形、图像翻译为电信号二进制图形、图像数据
麦克风：声音输入，将其翻译为电信号二进制数据
触摸屏：将触摸位置翻译为电信号二进制坐标数据
网卡：接受别的计算机发送的电信号二进制数据，输入给计算机
磁盘、SSD：读取存储的数据，输入给计算机
4）输出设备
显示器：将电信号二进制的图形、图像数据，翻译成为光信号的图形、图像，供人识别
喇叭：将声音数据翻译成为人能听得见的声音
打印机：将数据输出到打印机打印
机械手臂：将输出数据翻译成为机械手臂的动作
led灯等：将输出数据翻译成为灯的亮灭
网卡：从计算机输出数据，传输给别的计算机通信
磁盘、SSD：从计算机输出数据，写到磁盘或者SSD中存储
这里先对设备做一个大致的介绍，在硬件篇后续课程，我们会详细介绍有关存储器这种外设，至于其它外设，我们会在后续
的linux驱动课程详细涉及。
7.4 为什们要介绍计算机的组成结构
这里之所以要介绍计算机的组成结构，主要是有如下两个原因，
（1）很多同学对于计算机的组成结构一直是模模糊糊，所以我们希望给各位同学把这部分的知识认真补习下。
（2）在我们后续的嵌入式技术课程中，因为技术课程的需要，还会涉及计算机的详细结构，希望通关现在讲解能给各位同学
打下一个好的基础，为我们后面深入讲解计算机详细结构做铺垫。