冯诺依曼结构

“冯诺依曼结构”这个词出自美籍犹太数学家约翰·冯诺依曼（John von Neumann）的论文：《EDVAC报告书的第一份草案》（First Draft of a Report on the EDVAC），于1945年6月30日。冯诺依曼由于在曼哈顿工程中需要大量的运算，从而使用了当时最先进的两台计算机Mark I和ENIAC，在使用Mark I和ENIAC的过程中，他意识到了存储程序的重要性，从而提出了存储程序逻辑架构。

“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构，以此概念为基础的各类计算机通称为冯•诺依曼计算机，其特点如下：

  • 采用“存储程序”的工作方式。
  • 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成。
  • 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机应能区分它们。
  • 指令和数据均用二进制代码表示。
  • 指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址。

典型的冯诺依曼结构如下图所示，以运算器为中心，这使得存储器与I/O设备之间的数据交换也需要经过运算器

冯诺依曼结构

现代的计算机已转化为以存储器为中心，I/O设备与存储器能够直接进行数据交换，无需再经过CPU

现代计算机结构

由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将它们合起来统称为中央处理器(Central Processing Unit) ， 简称CPU。把输入设备与输出设备简称为I/O设备(Input/Output equipment) 。

这样， 现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、IO设备及主存储器(Main Memory，MM) 。CPU与主存储器合起来又可称为主机， I/O设备叫作外部设备。

现代计算机组成

多级层次结构

从用户的角度看，人们在操作系统提供的运行环境下，首先用高级语言编写程序（称为源程序），然后将源程序翻译成汇编语言程序，再将其翻译成机器能识别的机器语言程序（称为目标程序），最后用微程序解释每条机器指令。这样，就构成一个常见的计算机系统的5级层次结构，如下图所示：

多级层次结构

相邻层级之间的关系，下层是上层的基础，上层是下层的扩展。随着超大规模集成电路技术的不断发展，部分软件功能可以由硬件来实现，所以软/硬件交界面的划分也不是绝对的。

计算机系统工作原理

从源代码到可执行文件

用高级语言编写好一段程序之后，需要经过一系列“翻译“过程，才能得到计算机能够执行的机器代码。这里以最简单的 hello 程序为例，跟踪整个程序的生命周期

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("hello, world\n");
    return 0;
}

程序员通过编辑器创建并保存的文件 hello.c 本质上只是一段由 0 和 1 组成的二进制位序列，将 8 个位组织成 1 组，称之为字节。

现代计算机系统大多使用 ASCII 编码格式来表示文本字符，实际上就是用一个唯一的单字节大小的整数值来表示一个文本字符。使用 ASCII 编码来表示 hello.c 文件结果如下：

ASCII 编码表示 hello.c 文件

为了在系统上运行 hello.c 程序，需要将每条 C 语句都转化成有一系列低级的机器指令。在 Unix 系统上，从源文件到目标文件的转化可以由 GCC 编译器来完成

linux> gcc -o hello hello.c

这里 GCC 编译器将程序从文本文件 hello.c 翻译成二进制可执行文件 hello，需要经过四个阶段完成。

编译过程

  • 预处理阶段：预处理器（cpp）根据源代码中以 # 开头的命令直接展开，输出一个 hello.i 文件。（这个阶段不会进行任何的语法检查）
  • 编译阶段：编译器（ccl）对预处理后的文件进行编译，生成一个汇编语言源程序 hello.s。如下所示：
main:
  subq	$8, %rsp
  movl	$.LCO, $edi
  call	puts
  movl	$0, %eax
  addq	$8, %rsp
  ret
  • 汇编阶段：汇编器（as）会将 hello.s 文件翻译成机器语言指令，打包成一种叫做可重定位目标程序（relocatable object program）的格式，结果保存到目标文件 hello.o 中
  • 链接阶段：这里 hello 程序调用了 printf 函数，该标准库函数存在于一个名为 printf.o 的单独预编译目标文件中。链接器（ld）就负责将 hello.o 与 printf.o 合并到一起，输出一个二进制可执行目标文件 hello，该文件可以被加载到内存中由系统执行
linux> ./hello
hello, world
linux>

存储程序的基本思想

“存储程序”的基本思想，就是将程序和数据一样，存放在主存中；运行时通过地址访问到程序的内容，解析出对应的指令进行执行。

存储结构

  • 程序执行前，先将第一条指令的地址存放在程序计数器（PC）中；
  • 将PC的内容作为地址，访问主存，取出指令；
  • 在每条指令执行过程中，都需要计算下一条将执行指令的地址，并送至PC
    • 如果当前指令是顺序执行的，则下一条指令地址是PC的内容加上当前指令的长度
    • 如果是跳转指令，则下一条指令的地址是指定的目标地址；
  • 当前指令执行完毕后，再根据PC的值作为地址访问主存，取出的是下一条将要执行的指令。

计算机的功能部件

冯诺依曼结构的模型机

存储器

存储器可分为主存储器（也称内存储器或主存）和辅助存储器（也称外存储器或辅存）

  • 主存储器可以被CPU直接访问
  • 辅助存储器中的信息必须调入主存储器之后，才能够被CPU访问

主存中的每个存储单元有一个唯一的编号，叫做存储单元的”地址“（Address）。主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式

  • MAR（Memory Address Register，存储器地址寄存器）：用来存放想要访问的存储单元的地址，它的位数决定了能访问的存储单元的最大个数。
  • MDR（Memory Data Register，存储器数据寄存器）：用来存放从存储体单元中取出，或者准备向存储体单元存入的数据，它的位数和存储字相等。

MAR 与 MDR 虽然是存储器中的一部分，但在现代计算机中却是集成在 CPU 中；另外，高速缓存（Cache）也集成在 CPU 当中

运算器

运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算。运算器的核心是算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU），还包括了最少三个通用寄存器

  • ACC（Accumulator，累加器）
  • MQ（Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器）
  • X： 操作数寄存器

这三个寄存器在完成不同的算术运算时，所存放的操作数也各不相同。具体的情况如下表所示：

加法 减法 乘法 除法
ACC 被加数及和 被减数及差 乘积高位 被除数及余数
MQ —— —— 乘数及乘积低位 商
X 加数 减数 被乘数 除数

控制器

控制器是计算机的指挥中心，由其“指挥”各部件自动协调地进行工作，完成一条指令操作，需要取指、分析和执行3个阶段。控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成

  • 控制单元（CU）是控制器的核心组件，用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，从而控制所有被控对象
  • 程序计数器（PC）用来存放当前欲执行执行的地址，具有自增功能（完成指令后，自动指向下一条指令的地址），与MAR之间有一条直接通路
  • 指令寄存器（IR）用来存放当前的指令，其内容来自主存储器的MDR
    • 指令中的操作码 OP(IR) 送至 CU，用以分析指令并发出各种微指令序列
    • 地址码 Ad(IR) 送往 MAR，用以取操作数

I/O设备

I/O 系统包括各种 I/O 设备及其相应的接口。每一种 I/O 设备都由 I/O 接口与主机联系，它接收 CU 发出的各种控制命令，并完成相应的操作。

计算机性能指标

机器字长

通常所说的“16位或32位机器”，其中的16、32指的就是机器字长，简称字长。字长是指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数、ALU有关。因此，字长一般等于通用寄存器的位数和ALU的宽度，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。

  • 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数
  • 存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的位数

指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2个访存周期来取出一条指令；若指令字长等于存储字长，则取指令周期等于机器周期。

早期的存储字长一般与指令字长、字长相等，因此访问一次主存储器便可取出一条指令或一个数据。随着计算机的发展，指令字长、字长都可变，但必须都是字节（Byte）的整数倍。

数据通路宽度

数据通路带宽，是指数据总线一次所能并行传送信息的位数，它关系到数据的传送能力。这里所说的数据通路带宽是指外部数据总线的宽度，它与 CPU 内部的数据总线宽度（机器字长）可能不同。

主存容量

主存容量是指主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量，也可用字数$\times$字长（如 $512K\times16$ 位）来表示存储容量。

  • MAR 的位数反映了存储单元的个数。例如，MAR 为 16 位，即该存储体内有 $2^{16}=65536$ 个存储单元（可称为 $64K$ 内存，$1K = 1024$）
  • MDR 的位数反映了存储单元的字长。若 MDR 为 32位，则表示存储容量为 $64K\times 32$ 位

运算速度

  • 吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快的取指令，数据能多快地从内存取出或存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。几乎每步都关系到主存储器，因此系统吞吐量主要取决于主存储器的存取周期。
  • 响应时间：指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。通常包括CPU 时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）
  • CPU 时钟周期：指机器内部主时钟脉冲信号的宽度，它是 CPU 工作的最小时间单位

时钟脉冲信号是有机器脉冲源发出的脉冲信号经整形和分频后形成

时钟周期以相邻状态单元间组合逻辑电路的最大延迟为基准确定

时钟周期也以指令流水线的每个流水段的最大延迟间确定

  • 主频：指机器内部主时钟的频率，即时钟周期的倒数，它是衡量机器速度的重要参数

CPU 时钟周期 = 1/主频

主频通常以 Hz（赫兹）为单位，10Hz 表示每秒 10 次

  • CPI（Cycle Per Instruction）：即执行一条指令所需的时钟周期数
  • IPS（Instructions Per Second）：即每秒执行多少条指令，IPS = 主频 / 平均 CPI

不同指令的时钟周期数可能不同，因此对于一个程序或一台机器来说，其 CPI 指该程序或该机器指令集中的所有指令执行所需的平均时钟周期数，此时 CPI 是一个平均值

  • CPU 执行时间：指运行一个程序所花费的时间

CPU 执行时间 = CPU 时钟周期数 / 主频 = (指令条数×CPI) / 主频

对于同一个程序，CPU 的执行时间就代表了 CPU 的性能，它主要取决于三个要素：主频、CPI 和 指令数。这三者是相互制约的。不同的机器可以有不同的指令集，更改指令集可以让程序的指令数更少，但 CPI 可能就会增大；同时可能引起 CPU 结构的调整，从而造成主频的降低。

  • MIPS（Million Instructions Per Second）：即每秒执行多少百万条指令
  • FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：即每秒执行多少次浮点运算
  • MFLOPS（Million FLOPS）：即每秒执行多少百万次浮点运算

MIPS = 指令条数 / (执行时间 $\times 10^6$) = 主频 / ($CPI \times 10^6$)

MIPS 对不同机器进行性能比较是有缺陷的，因为不同机器的指令集不同，指令的功能也就不同，CPI 和时钟周期也不同，因而同一条指令在不同机器上所用的时间也不同

在描述存储容量、文件大小等时，K、M、G、T 通常用 2 的幂次表示，如 $1Kb = 2^{10}b$

在描述速率、频率等时，通常用 10 的幂次表示，如 $1kb/s = 10^3 b/s$

通常前者用大写的 K，后者用小写的 k，但其他前缀均为大写，表示的含义取决于所用的场景

参考资料

  • 冯诺依曼结构
  • 《深入理解计算机系统》
  • 王道计算机教育 《2025年计算机组成原理考研复习指导》