第 4 章：冯诺依曼架构¶
基本组成部分¶
一个冯诺依曼架构的计算机一般由 5 个部分组成：
- 内存
- 计算单元
- 输入
- 输出
- 控制单元
图：冯诺依曼架构
内存 Memory¶
16 GB 内存指什么？GB 在这里是 gigabytes，而 16 giga 等于 \(2^{34}\)，后面的 bytes 代表一个内存单元里面有 8 个位（= 1 个字节）。16 GB 内存就是指这内存中有 \(2^{34}\) 个字节。
内存的读写¶
内存有它的两个寄存器，一个是关于地址的（MAR），一个是关于值的（MDR）。
当要读某个地方的内存值的时候，就往 MAR 里面写数据，然后给内存一个控制信号，让它把对应地方的值写进 MDR 里。
而要写某个地方的内存值的时候，就往 MAR 和 MDR 里面都写数据，然后给内存一个控制信号，让它把对应地方的值给改了就好了。
计算单元 Processing Unit¶
有个重量级的东西，叫做 Arithmetic and Logic Unit（ALU）。它可以执行一些操作，比如求两个值的和，以及取 AND、OR、NOT 什么的。
ALU 一般接收的用来运算的数都是定长的。这个长度叫做计算机的字长（word length）。比如现在的 CPU 基本上都是 64 位的字长了；8 位或者 16 位字长一般可以在非常廉价的处理器中看到。
输入、输出¶
可以说是计算机的外设来完成了输入输出，比如键盘、鼠标提供输入，而显示器什么的提供输出。
控制单元¶
它解析机器语言，向上面的所有东西发号施令。
它拥有一个储存机器码指令的寄存器 IR（instruction register）；以及一个存储下一条指令的位置的寄存器，这个寄存器由于一些历史原因会被叫做 program counter（PC），不过它有个更好的名字叫 instruction pointer（IP）。
LC-3 是一种冯诺依曼计算机¶
图：LC-3 的数据通路
内存 MEMORY¶
拥有 \(2^{16}\) 个内存地址，每个地址有 16 位长。
它也有一个 MAR 和一个 MDR。
输入输出 INPUT / OUTPUT¶
输入部分由一个键盘负责。它也有两个寄存器：键盘数据寄存器 KBDR，存着现在被按下去的键的 ASCII 码；以及键盘状态寄存器 KBSR，存着键盘上有没有键被按下去。
计算单元 THE PROCESSING UNIT¶
里面有一个 ALU 和 8 个寄存器 R0 到 R7。LC-3 的 ALU 可以干加法、取 AND 和取 NOT。这么少？
控制单元 THE CONTROL UNIT¶
拥有一个 IR 和一个 PC。
指令周期¶
可以分为六步：
- 获得数据 FETCH
- 解码 DECODE
- 分析地址 EVALUATE ADDRESS
- 获取操作数 FETCH OPERANDS
- 执行 EXECUTE
- 存储结果 STORE RESULT
获得数据 FETCH¶
这一步将这一次的指令存到 IR 中。
- MAR 的值变成了 PC，然后把 PC 增加。
- 内存收到指令，把 MAR 对应地方的值放到 MDR 中。
- IR 的值变成了 MDR。
解码 DECODE¶
通过喂给解码器 IR 的 [15:12] 位（opcode），它可以确定到底要执行哪一种指令。（所以说LC-3 最多有 16 种指令。）
分析地址 EVALUATE ADDRESS¶
比如说 LD 指令这样的需要从内存中加载值的指令，有些指令需要动用内存。这一步会计算将要读取的内存的地址。
获取操作数 FETCH OPERANDS¶
这一步会把指令所需要的操作数准备好。比如在 ADD 中，这一步就会把所需要的两个寄存器的值（或者一个寄存器和一个立即数）发送到 ALU 中。
执行 EXECUTE¶
一切都准备好之后，就要开始计算了。
存储结果 STORE RESULT¶
这一步会往应该的地方存储结果，如果有结果的话。
打断：TRAP 指令¶
问题来了，我们怎么控制计算机开始与停止执行指令呢？这里提供了一种叫 TRAP 的指令，翻译成自陷指令，和中断指令差不多，区别在于 trap 是用户程序触发的，中断是硬件触发的。
TRAP 指令和其他指令一样，拥有自己的 opcode。