1.4 計算機的基本工作原理

1.4.1 存儲程序工作原理

存儲程序工作原理是馮·諾依曼（von Neumann）在1945年領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計EDVAC計算機的過程中提出的。實際上就是計算機執(zhí)行程序的方式，采用這種方式，要事先編制程序，并將程序（包含指令和數(shù)據(jù)）存入主存儲器中，計算機在運行程序時，要能自動、連續(xù)地從主存儲器中依次取出指令并執(zhí)行。存儲程序是計算機能高速自動運行的基礎(chǔ)。

存儲程序工作方式，可稱為指令流驅(qū)動方式。即按照指令的執(zhí)行序列，依次讀取指令；根據(jù)指令所含的控制信息，調(diào)用數(shù)據(jù)進行處理。為了控制指令序列的執(zhí)行順序，設(shè)置一個程序計數(shù)器（Program Counter，PC），讓它存放當(dāng)前指令所在的存儲單元的地址。如果程序是順序執(zhí)行的，那么每取出一條指令后，PC內(nèi)容自動增1（在大多數(shù)情況下，程序的執(zhí)行都是順序的，即按照指令的先后順序執(zhí)行），指示下一條指令該從何處取得。如果程序?qū)嵤┺D(zhuǎn)移，則將轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址送入PC，以便按新地址讀取后繼指令。PC就像一個指針，一直指示著程序的執(zhí)行進程，也就是指示指令流的形成。

存儲程序工作原理奠定了現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)思想，到目前為止，絕大多數(shù)計算機仍沿用這一結(jié)構(gòu)，稱為馮·諾依曼機結(jié)構(gòu)。

馮·諾依曼機結(jié)構(gòu)從本質(zhì)有什么缺點，如何改進？

馮·諾依曼機結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上講是采取串行順序處理的工作機制，即使有關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。提高計算機性能的根本方向之一是并行處理，因此，人們一直在謀求突破馮·諾依曼機結(jié)構(gòu)的束縛，這主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

①在馮·諾依曼機結(jié)構(gòu)范疇內(nèi)，對傳統(tǒng)馮·諾依曼機進行改造。例如，采用多個處理部件，形成流水處理，依靠時間上的重疊提高處理效率；組成陣列機結(jié)構(gòu)，形成單指令流多數(shù)據(jù)流，提高處理速度。這些改造已比較成熟，成為標(biāo)準(zhǔn)的計算機結(jié)構(gòu)。比較活躍的研究是用多個馮·諾依曼機組成多機系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)。

②從根本上改變馮·諾依曼機的控制流驅(qū)動方式。例如，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動工作方式的數(shù)據(jù)流計算機，只要數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，有關(guān)指令就可并行執(zhí)行。這是真正非馮·諾依曼的計算機，它為并行處理開辟了新的前景。但由于控制的復(fù)雜性，仍處于實驗探索之中。

1.4.2 計算機的工作過程

計算機的工作過程是執(zhí)行程序的過程。程序是為求解特定問題而設(shè)計的指令序列，所以計算機的工作過程就是按照給定次序執(zhí)行一系列指令的過程。按照存儲程序工作原理，執(zhí)行一條指令可以分為兩個階段進行：取指令和執(zhí)行指令。于是計算機的工作過程也就是反復(fù)取指和執(zhí)指的過程。

例如，求兩個正整數(shù)a，b的較大值，即f=max（a，b），下面以虛擬機M5 層，C語言為例來編寫程序。先看解題步驟如下：

①輸入a和b這兩個數(shù)；

②執(zhí)行a賦值給f；

③判斷，如果b＞a，則執(zhí)行b賦值給f；

④輸出f；

⑤結(jié)束。

上述步驟用指令表達出來就是程序。在編寫程序時，需要考慮給程序、數(shù)據(jù)分配存儲單元。C語言的處理方式是以函數(shù)名對應(yīng)程序段的首地址（注意馮·諾依曼機的工作特點之一就是程序存儲在存儲器中，而程序是包括指令和數(shù)據(jù)），函數(shù)對應(yīng)的程序段就存放在以該地址開始的連續(xù)區(qū)域中。用C語言編寫的程序如下：

            main()
            {int a,b,f;                //此指令的執(zhí)行將在內(nèi)存可用區(qū)域分配存儲單元,用來裝載
                                       //相應(yīng)數(shù)據(jù)
            scanf(″% d% d″,&a,&b);  //CPU執(zhí)行此指令的過程是：從輸入設(shè)備(鍵盤)輸入兩個整數(shù)
                                      //通過數(shù)據(jù)總線傳輸給內(nèi)存,按照分配的存儲單元地址存入
            f=a;                      //CPU從內(nèi)存中讀取該指令執(zhí)行,從a所對應(yīng)的存儲單元中讀
                                      //取數(shù)據(jù),再存入f所對應(yīng)的存儲單元中
            if(b＜a)f=b;
            printf(″% d″,f);       //CPU執(zhí)行此指令的過程是：把f所對應(yīng)存儲單元中的數(shù)據(jù)
                                     //輸出到輸出設(shè)備(如顯示器)上
            }

可以看出，馮·諾依曼體系的計算機執(zhí)行程序的過程。這一過程結(jié)合匯編語言程序的執(zhí)行就更加清楚了。

數(shù)據(jù)a存放在主存300AH單元，數(shù)據(jù)b存放在主存300BH單元，運算結(jié)果f存放在主存300CH單元。用匯編語言編寫的程序如下（這里沒有考慮輸入/輸出）：

            單元地址           單元內(nèi)容
            2000H       MOV Al,[300AH]
            2001H       MOV BL,[300BH]
            2002H       MOV [300CH],AL
            2003H       CMP BL,AL
            2004H       JG 2005H
            2005H       HLT
            2006H       MOV [300CH],BL
            2007H       HLT
            300AH       a
            300BH       b
            300CH      存結(jié)果f

上述匯編語言源程序匯編為二進制代碼形式的目標(biāo)程序后，順序存放到主存儲器中。數(shù)據(jù)也以二進制代碼形式存放在主存儲器中。將程序首地址2000H送程序計數(shù)器PC，便啟動了該程序的執(zhí)行。

設(shè)數(shù)據(jù)b＜a，程序的執(zhí)行過程如下：

①取指令——PC的內(nèi)容（2000H）送地址總線，主存2000H單元內(nèi)容讀入控制器。PC的內(nèi)容自動增1。

執(zhí)行指令——控制器譯碼所讀取的指令（MOV AL，[300AH]），發(fā)出控制信號，完成取300AH單元中的內(nèi)容a送寄存器AL的操作。

②取指令——PC的內(nèi)容（2001H）送地址總線，主存2001H單元內(nèi)容讀入控制器，PC的內(nèi)容自動增1。

執(zhí)行指令——控制器譯碼所取指令（MOV BL，[300BH]），發(fā)出控制信號，完成取300BH單元中的內(nèi)容b送寄存器BL的操作。

③取指令——PC的內(nèi)容（2002H）送地址總線，主存2002H單元內(nèi)容讀入控制器，PC的內(nèi)容自動增1。

執(zhí)行指令——控制器譯碼所取指令（MOV [300CH]，AL），發(fā)出控制信號，完成將寄存器AL的內(nèi)容傳送至300CH單元中的操作。

④取指令——PC的內(nèi)容（2003H）送地址總線，主存2003H單元內(nèi)容讀入控制器，PC的內(nèi)容自動增1。

執(zhí)行指令——控制器譯碼所取指令（CMP BL，AL），發(fā)出控制信號，完成操作：S=0，Z=0（b＞a）。

⑤取指令——PC的內(nèi)容（2004H）送地址總線，主存2004H單元內(nèi)容讀入控制器，PC的內(nèi)容自動增1。

執(zhí)行指令——控制器譯碼所取指令（JG 2005H），發(fā)出控制信號，完成操作：S=0，Z=0（b＞a），條件滿足，轉(zhuǎn)移，地址2006H送PC。注意，如果條件不滿足，就不會執(zhí)行“轉(zhuǎn)移，地址2006H送PC”的操作了。

⑥取指令——PC的內(nèi)容（2006H）送地址總線，主存2006H單元內(nèi)容讀入控制器，PC的內(nèi)容自動增1。

執(zhí)行指令——控制器譯碼所取指令（MOV [300CH]，BL），發(fā)出控制信號，完成將寄存器BL的內(nèi)容傳送至300CH單元中的操作。

⑦取指令——PC的內(nèi)容（2007H）送地址總線，主存2007H單元內(nèi)容讀入控制器，PC的內(nèi)容自動增1。

執(zhí)行指令——控制器譯碼所取指令（HLT），發(fā)出控制信號，停機，程序執(zhí)行結(jié)束。