计算机组成原理——小啃一下

CPU和主存储器结构

CPU：

• 运算器
  • ACC（累加器）
  • ALU（算数逻辑单元）
  • MQ（乘商寄存器）
  • X（操作数寄存器）
• 控制器
  • CU（控制单元）
  • IR（指令寄存器）
  • PC （程序计数器）

主存储器

• M（主存储体）
• MDR（存储器数据寄存器）
• MAR（存储器地址寄存器）

指令的操作

第一条指令

取指

1: PC ⟶ 指令地址 MAR \textbf{PC}\overset{\textbf{指令地址}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} PC⟶指令地址​MAR,命令存储器读；
2: 0000010000001000 ⟶ MDR \textbf{0000010000001000}\overset{\textbf{}}{\longrightarrow}\textbf{MDR} 0000010000001000⟶​MDR
3: MDR ⟶ 指令 IR \textbf{MDR}\overset{\textbf{指令}}{\longrightarrow}\textbf{IR} MDR⟶指令​IR

分析、执行

1: OP(IR) ⟶ 操作码 CU \textbf{OP(IR)}\overset{\textbf{操作码}}{\longrightarrow}\textbf{CU} OP(IR)⟶操作码​CU，得到操作码 000001 \textbf{000001} 000001,为取数指令；
2: CU ⟶ Ad(IR) MAR \textbf{CU}\overset{\textbf{Ad(IR)}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} CU⟶Ad(IR)​MAR，地址码 0000001000 \textbf{0000001000} 0000001000,送入 MAR \textbf{MAR} MAR，命令存储器读；
3: 0000001000 ⟶ x MDR ⟶ x ACC \textbf{0000001000}\overset{{x}}{\longrightarrow}\textbf{MDR}\overset{{x}}{\longrightarrow}\textbf{ACC} 0000001000⟶x​MDR⟶x​ACC，存储器将地址码 0000001000 \textbf{0000001000} 0000001000对应数据 x x x送入 MDR \textbf{MDR} MDR， MDR \textbf{MDR} MDR再送入 ACC \textbf{ACC} ACC；
4： PC+1 \textbf{PC+1} PC+1，生成下一条指令地址。

第二条指令

取指、分析、执行…

1: PC ⟶ 指令地址 MAR \textbf{PC}\overset{\textbf{指令地址}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} PC⟶指令地址​MAR,命令存储器读；
2: MDR ⟶ 指令 IR \textbf{MDR}\overset{\textbf{指令}}{\longrightarrow}\textbf{IR} MDR⟶指令​IR
3: OP(IR) ⟶ 操作码 CU \textbf{OP(IR)}\overset{\textbf{操作码}}{\longrightarrow}\textbf{CU} OP(IR)⟶操作码​CU，得到操作码 000100 \textbf{000100} 000100,为乘法指令；
4: CU ⟶ Ad(IR) MAR \textbf{CU}\overset{\textbf{Ad(IR)}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} CU⟶Ad(IR)​MAR，地址码 0000001001 \textbf{0000001001} 0000001001,送入 MAR \textbf{MAR} MAR，命令存储器读；
5: MDR ⟶ a ACC \textbf{MDR}\overset{{a}}{\longrightarrow}\textbf{ACC} MDR⟶a​ACC，存储器将地址码 0000001001 \textbf{0000001001} 0000001001对应数据 a a a送入 MDR \textbf{MDR} MDR， MDR \textbf{MDR} MDR再送入 MQ \textbf{MQ} MQ；
6:将 [ACC] \textbf{[ACC]} [ACC]看作被乘数，方括号表示寄存器里的数据
[ACC] → X \textbf{[ACC]} \rightarrow\textbf{X} [ACC]→X
0 → ACC \textbf{0} \rightarrow\textbf{ACC} 0→ACC
[MQ]*[X] → ACC//MQ \textbf{[MQ]*[X]} \rightarrow\textbf{ACC//MQ} [MQ]*[X]→ACC//MQ
7： PC+1 \textbf{PC+1} PC+1，生成下一条指令地址。

第三条指令

取指、分析、执行…

1: PC ⟶ 指令地址 MAR \textbf{PC}\overset{\textbf{指令地址}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} PC⟶指令地址​MAR,命令存储器读；
2: MDR ⟶ 指令 IR \textbf{MDR}\overset{\textbf{指令}}{\longrightarrow}\textbf{IR} MDR⟶指令​IR
3: OP(IR) ⟶ 操作码 CU \textbf{OP(IR)}\overset{\textbf{操作码}}{\longrightarrow}\textbf{CU} OP(IR)⟶操作码​CU，得到操作码 000011 \textbf{000011} 000011,为加法指令；
4: CU ⟶ Ad(IR) MAR \textbf{CU}\overset{\textbf{Ad(IR)}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} CU⟶Ad(IR)​MAR，地址码 0000001010 \textbf{0000001010} 0000001010,送入 MAR \textbf{MAR} MAR，命令存储器读；
5: MDR ⟶ b ACC \textbf{MDR}\overset{{b}}{\longrightarrow}\textbf{ACC} MDR⟶b​ACC，存储器将地址码 0000001010 \textbf{0000001010} 0000001010对应数据 b b b送入 MDR \textbf{MDR} MDR， MDR \textbf{MDR} MDR再送入 X \textbf{X} X；
6:将 [ACC] \textbf{[ACC]} [ACC]看作被加数，方括号表示寄存器里的数据
[ACC]+[X] → ACC \textbf{[ACC]+[X]} \rightarrow\textbf{ACC} [ACC]+[X]→ACC
此时 ACC \textbf{ACC} ACC存储的数据为 a x + b ax+b ax+b
7： PC+1 \textbf{PC+1} PC+1，生成下一条指令地址。

第四条指令

取指、分析、执行…

1: PC ⟶ 指令地址 MAR \textbf{PC}\overset{\textbf{指令地址}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} PC⟶指令地址​MAR,命令存储器读；
2: MDR ⟶ 指令 IR \textbf{MDR}\overset{\textbf{指令}}{\longrightarrow}\textbf{IR} MDR⟶指令​IR
3: OP(IR) ⟶ 操作码 CU \textbf{OP(IR)}\overset{\textbf{操作码}}{\longrightarrow}\textbf{CU} OP(IR)⟶操作码​CU，得到操作码 000100 \textbf{000100} 000100,为乘法指令；
4: CU ⟶ Ad(IR) MAR \textbf{CU}\overset{\textbf{Ad(IR)}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} CU⟶Ad(IR)​MAR，地址码 0000001000 \textbf{0000001000} 0000001000,送入 MAR \textbf{MAR} MAR，命令存储器读；
5: MDR ⟶ x ACC \textbf{MDR}\overset{{x}}{\longrightarrow}\textbf{ACC} MDR⟶x​ACC，存储器将地址码 0000001000 \textbf{0000001000} 0000001000对应数据 x x x送入 MDR \textbf{MDR} MDR， MDR \textbf{MDR} MDR再送入 MQ \textbf{MQ} MQ；
6:将 [ACC] \textbf{[ACC]} [ACC]看作被乘数，方括号表示寄存器里的数据
[ACC] → X \textbf{[ACC]} \rightarrow\textbf{X} [ACC]→X
0 → ACC \textbf{0} \rightarrow\textbf{ACC} 0→ACC
[MQ]*[X] → ACC//MQ \textbf{[MQ]*[X]} \rightarrow\textbf{ACC//MQ} [MQ]*[X]→ACC//MQ
此时 ACC \textbf{ACC} ACC存储的数据为 ( a x + b ) × x (ax+b)\times x (ax+b)×x
7： PC+1 \textbf{PC+1} PC+1，生成下一条指令地址。

第五条指令

取指、分析、执行…

1: PC ⟶ 指令地址 MAR \textbf{PC}\overset{\textbf{指令地址}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} PC⟶指令地址​MAR,命令存储器读；
2: MDR ⟶ 指令 IR \textbf{MDR}\overset{\textbf{指令}}{\longrightarrow}\textbf{IR} MDR⟶指令​IR
3: OP(IR) ⟶ 操作码 CU \textbf{OP(IR)}\overset{\textbf{操作码}}{\longrightarrow}\textbf{CU} OP(IR)⟶操作码​CU，得到操作码 000011 \textbf{000011} 000011,为加法指令；
4: CU ⟶ Ad(IR) MAR \textbf{CU}\overset{\textbf{Ad(IR)}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} CU⟶Ad(IR)​MAR，地址码 0000001011 \textbf{0000001011} 0000001011,送入 MAR \textbf{MAR} MAR，命令存储器读；
5: MDR ⟶ c ACC \textbf{MDR}\overset{{c}}{\longrightarrow}\textbf{ACC} MDR⟶c​ACC，存储器将地址码 0000001011 \textbf{0000001011} 0000001011对应数据 c c c送入 MDR \textbf{MDR} MDR， MDR \textbf{MDR} MDR再送入 X \textbf{X} X；
6:将 [ACC] \textbf{[ACC]} [ACC]看作被加数，方括号表示寄存器里的数据
[ACC]+[X] → ACC \textbf{[ACC]+[X]} \rightarrow\textbf{ACC} [ACC]+[X]→ACC
此时 ACC \textbf{ACC} ACC存储的数据为 a x 2 + b x + c ax^2+bx+c ax2+bx+c
7： PC+1 \textbf{PC+1} PC+1，生成下一条指令地址。

第六条指令

取指、分析、执行…

1: PC ⟶ 指令地址 MAR \textbf{PC}\overset{\textbf{指令地址}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} PC⟶指令地址​MAR,命令存储器读；
2: MDR ⟶ 指令 IR \textbf{MDR}\overset{\textbf{指令}}{\longrightarrow}\textbf{IR} MDR⟶指令​IR
3: OP(IR) ⟶ 操作码 CU \textbf{OP(IR)}\overset{\textbf{操作码}}{\longrightarrow}\textbf{CU} OP(IR)⟶操作码​CU，得到操作码 000010 \textbf{000010} 000010,为存数指令；
4: CU ⟶ Ad(IR) MAR \textbf{CU}\overset{\textbf{Ad(IR)}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} CU⟶Ad(IR)​MAR，地址码 0000001100 \textbf{0000001100} 0000001100,送入 MAR \textbf{MAR} MAR，命令存储器写；
5: ACC ⟶ [ A C C ] MDR \textbf{ACC}\overset{{[ACC]}}{\longrightarrow}\textbf{MDR} ACC⟶[ACC]​MDR，存储器将对应数据 [ACC] \textbf{[ACC]} [ACC]送入 MDR \textbf{MDR} MDR，将 MDR \textbf{MDR} MDR中的数据写入存储器地址码 0000001100 \textbf{0000001100} 0000001100中；
6: PC+1 \textbf{PC+1} PC+1，生成下一条指令地址。

第七条指令

取指、分析、执行…

1: PC ⟶ 指令地址 MAR \textbf{PC}\overset{\textbf{指令地址}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} PC⟶指令地址​MAR,命令存储器读；
2: MDR ⟶ 指令 IR \textbf{MDR}\overset{\textbf{指令}}{\longrightarrow}\textbf{IR} MDR⟶指令​IR
3: OP(IR) ⟶ 操作码 CU \textbf{OP(IR)}\overset{\textbf{操作码}}{\longrightarrow}\textbf{CU} OP(IR)⟶操作码​CU，得到操作码 000101 \textbf{000101} 000101,为打印指令；
4: CU ⟶ Ad(IR) MAR \textbf{CU}\overset{\textbf{Ad(IR)}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} CU⟶Ad(IR)​MAR，地址码 0000001100 \textbf{0000001100} 0000001100,送入 MAR \textbf{MAR} MAR，命令存储器读；
5: MDR ⟶ 数据 IO \textbf{MDR}\overset{{数据}}{\longrightarrow}\textbf{IO} MDR⟶数据​IO，存储器将对应数据送入 IO \textbf{IO} IO打印；
6: PC+1 \textbf{PC+1} PC+1，生成下一条指令地址。

第八条指令

取指、分析、执行…

1: PC ⟶ 指令地址 MAR \textbf{PC}\overset{\textbf{指令地址}}{\longrightarrow}\textbf{MAR} PC⟶指令地址​MAR,命令存储器读；
2: MDR ⟶ 指令 IR \textbf{MDR}\overset{\textbf{指令}}{\longrightarrow}\textbf{IR} MDR⟶指令​IR
3: OP(IR) ⟶ 操作码 CU \textbf{OP(IR)}\overset{\textbf{操作码}}{\longrightarrow}\textbf{CU} OP(IR)⟶操作码​CU，得到操作码 000110 \textbf{000110} 000110,为停机指令；
4: PC \textbf{PC} PC不在更新指令地址。