嵌入式硬件技术基础
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1.4 计算机的基本工作原理

1.4.1 存储程序工作原理

存储程序工作原理是冯·诺依曼（von Neumann）在1945年领导设计EDVAC计算机的过程中提出的。实际上就是计算机执行程序的方式，采用这种方式，要事先编制程序，并将程序（包含指令和数据）存入主存储器中，计算机在运行程序时，要能自动、连续地从主存储器中依次取出指令并执行。存储程序是计算机能高速自动运行的基础。

存储程序工作方式，可称为指令流驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令；根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。为了控制指令序列的执行顺序，设置一个程序计数器（Program Counter，PC），让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序是顺序执行的，那么每取出一条指令后，PC内容自动增1（在大多数情况下，程序的执行都是顺序的，即按照指令的先后顺序执行），指示下一条指令该从何处取得。如果程序实施转移，则将转移目标地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示指令流的形成。

存储程序工作原理奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一结构，称为冯·诺依曼机结构。

冯·诺依曼机结构从本质有什么缺点，如何改进？

冯·诺依曼机结构从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据已经准备好，也必须逐条执行指令序列。提高计算机性能的根本方向之一是并行处理，因此，人们一直在谋求突破冯·诺依曼机结构的束缚，这主要表现在以下两个方面。

①在冯·诺依曼机结构范畴内，对传统冯·诺依曼机进行改造。例如，采用多个处理部件，形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些改造已比较成熟，成为标准的计算机结构。比较活跃的研究是用多个冯·诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。

②从根本上改变冯·诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关指令就可并行执行。这是真正非冯·诺依曼的计算机，它为并行处理开辟了新的前景。但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。

1.4.2 计算机的工作过程

计算机的工作过程是执行程序的过程。程序是为求解特定问题而设计的指令序列，所以计算机的工作过程就是按照给定次序执行一系列指令的过程。按照存储程序工作原理，执行一条指令可以分为两个阶段进行：取指令和执行指令。于是计算机的工作过程也就是反复取指和执指的过程。

例如，求两个正整数a，b的较大值，即f=max（a，b），下面以虚拟机M5 层，C语言为例来编写程序。先看解题步骤如下：

①输入a和b这两个数；

②执行a赋值给f；

③判断，如果b＞a，则执行b赋值给f；

④输出f；

⑤结束。

上述步骤用指令表达出来就是程序。在编写程序时，需要考虑给程序、数据分配存储单元。C语言的处理方式是以函数名对应程序段的首地址（注意冯·诺依曼机的工作特点之一就是程序存储在存储器中，而程序是包括指令和数据），函数对应的程序段就存放在以该地址开始的连续区域中。用C语言编写的程序如下：

            main()
            {int a,b,f;                //此指令的执行将在内存可用区域分配存储单元,用来装载
                                       //相应数据
            scanf(″% d% d″,&a,&b);  //CPU执行此指令的过程是：从输入设备(键盘)输入两个整数
                                      //通过数据总线传输给内存,按照分配的存储单元地址存入
            f=a;                      //CPU从内存中读取该指令执行,从a所对应的存储单元中读
                                      //取数据,再存入f所对应的存储单元中
            if(b＜a)f=b;
            printf(″% d″,f);       //CPU执行此指令的过程是：把f所对应存储单元中的数据
                                     //输出到输出设备(如显示器)上
            }

可以看出，冯·诺依曼体系的计算机执行程序的过程。这一过程结合汇编语言程序的执行就更加清楚了。

数据a存放在主存300AH单元，数据b存放在主存300BH单元，运算结果f存放在主存300CH单元。用汇编语言编写的程序如下（这里没有考虑输入/输出）：

            单元地址           单元内容
            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      存结果f

上述汇编语言源程序汇编为二进制代码形式的目标程序后，顺序存放到主存储器中。数据也以二进制代码形式存放在主存储器中。将程序首地址2000H送程序计数器PC，便启动了该程序的执行。

设数据b＜a，程序的执行过程如下：

①取指令——PC的内容（2000H）送地址总线，主存2000H单元内容读入控制器。PC的内容自动增1。

执行指令——控制器译码所读取的指令（MOV AL，[300AH]），发出控制信号，完成取300AH单元中的内容a送寄存器AL的操作。

②取指令——PC的内容（2001H）送地址总线，主存2001H单元内容读入控制器，PC的内容自动增1。

执行指令——控制器译码所取指令（MOV BL，[300BH]），发出控制信号，完成取300BH单元中的内容b送寄存器BL的操作。

③取指令——PC的内容（2002H）送地址总线，主存2002H单元内容读入控制器，PC的内容自动增1。

执行指令——控制器译码所取指令（MOV [300CH]，AL），发出控制信号，完成将寄存器AL的内容传送至300CH单元中的操作。

④取指令——PC的内容（2003H）送地址总线，主存2003H单元内容读入控制器，PC的内容自动增1。

执行指令——控制器译码所取指令（CMP BL，AL），发出控制信号，完成操作：S=0，Z=0（b＞a）。

⑤取指令——PC的内容（2004H）送地址总线，主存2004H单元内容读入控制器，PC的内容自动增1。

执行指令——控制器译码所取指令（JG 2005H），发出控制信号，完成操作：S=0，Z=0（b＞a），条件满足，转移，地址2006H送PC。注意，如果条件不满足，就不会执行“转移，地址2006H送PC”的操作了。

⑥取指令——PC的内容（2006H）送地址总线，主存2006H单元内容读入控制器，PC的内容自动增1。

执行指令——控制器译码所取指令（MOV [300CH]，BL），发出控制信号，完成将寄存器BL的内容传送至300CH单元中的操作。

⑦取指令——PC的内容（2007H）送地址总线，主存2007H单元内容读入控制器，PC的内容自动增1。

执行指令——控制器译码所取指令（HLT），发出控制信号，停机，程序执行结束。

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