1.3计算机的硬件
1.3.1 硬件组成要素
使用打算盘来说明计算机的主要组成和工作原理。给定一个算盘、一张带有横格的纸、一支笔，要求计算y=ax+b-c。下面将解题步骤记录在带有横格的纸带上：
表1.3解题步骤和数据记录在横格纸上
| 行数 | 解题步骤和数据 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 取数 （9）->算盘 | （9）表示第9行的数a，下同 |
| 2 | 乘法 （12）->算盘 | 完成a*x，结果在算盘上 |
| 3 | 加法 （10）->算盘 | 完成a*x+b，结果在算盘上 |
| 4 | 减法 （11）->算盘 | 完成y=a*x+b-c，结果在算盘上 |
| 5 | 存数 y->13 | 算盘上的y值记到13行 |
| 6 | 输出 | 将算盘上的y值写出来给人看 |
| 7 | 停止 | |
| 8 | ||
| 9 | a | 数据 |
| 10 | b | 数据 |
| 11 | c | 数据 |
| 12 | x | 数据 |
| 13 | y | 数据 |
在电子计算机中：
**运算器**相当于算盘
**存储器**相当于纸
**控制器**相当于人的大脑（控制着整个计算过程）
|<--> 存储器
|
系 |<--> 运算器
统 |
总 |<--> 控制器
线 |
|<--> 适配器
| |
| |
输入设备 输出设备
CPU = 运算器 + 控制器
1.3.2 运算器
参见：ALU
字长：运算器的长度
1.3.3 存储器
1.3.4 控制器
参见： Control unit
控制器的任务是从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作；
NOTE: 读取指令和读取数据都是由控制器来完成的；所以控制器需要了解指令的格式
1. 计算程序
表1.4计算y=ax+b-c的程序
| 指令地址 | 操作码 | 地址码 | 指令操作内容 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 取数 | 9 | (9) -> A | 将存储器9号地址的数读入到运算器A |
| 2 | 乘法 | 12 | (A) * (12) -> A |
完成a*x，结果保留着运算器A |
| 3 | 加法 | 10 | (A) + (10) -> A | 完成a*x+b，结果保留着运算器A |
| 4 | 减法 | 11 | (A) - (11) -> A | 完成a*x+b-c，结果保留着运算器A |
| 5 | 存数 | 13 | A->13 | 运算器A中的结果y送入到存储器13号地址 |
| 6 | 打印 | |||
| 7 | 停止 | |||
| 8 | ||||
| 数据地址 | 数据 | 说明 | ||
| 9 | a | |||
| 10 | b | |||
| 11 | c | |||
| 12 | x | |||
| 13 | y |
表1.4是一个非常好的例子，这个表中展示了**指令**，数据，CPU的运算逻辑等关键内容；
NOTE : 从表1.4中可以看出，运算器的操作数需要通过**取数指令**从内存中加载到**运算器**中；表1.4还展示处理，运算器在执行运算指令，如**乘法指令**，**加法指令**等的时候，产生的运算结果是保留在运算器中，需要执行**存数指令**才能够将**运算器**中的数据写入到内存中；这其实非常是符合Load–store architecture的。
2. 指令的形式
每条指令需要明确地告诉控制器，从存储器的哪个单元取数，并进行何种操作；这样一来，可知指令的内容由两部分组成：操作的性质和操作数的地址；前者为**操作码**，后者为**地址码**；
操作码|地址码
指令的**操作码**和**地址码**都可以使用**二进制代码**来进行表示，这就是**指令的数码化**；指令**数码化**以后，就看可以和数据一样存入到**存储器**中(Stored-program computer)；存储器的任何位置既可以存放数据也可以存放指令，不过一般将指令和数据分开存放。控制器**依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做**程序控制。
按照Von Neumann architecture的思想，指令和数据（如果不清楚两者的差别，去看表1-4）存放在同一个存储器中，**控制器**按照stored program的**地址顺序**进行执行；
按照Harvard architecture的思想，将指令和数据分别存放在两个存储器中；
一台计算机通常有几十种基本**指令**，从而构成该计算机的**指令系统**。**指令系统**不仅是**硬件设计**的依据，而且是**软件设计**的基础。因此**指令系统**是衡量**计算机性能**的一个重要指标。
3. 控制器的基本任务
由表1-4可知，计算机在进行计算的时候，**指令**必须是按照一定的**顺序**一条接着一条的进行；
控制器**的基本任务就是按照计算机程序所排的指令序列，先从**存储器**中取出一条指令放到**控制器**中，对该**指令**的**操作码**由**译码器**进行分析判断，然后根据**指令性质（即该指令要做什么运算），执行这条指令；接着从存储器中取出第二条指令，再执行第二条指令。以此类推。
通常，将取指令的这段时间叫做**取指周期**，而把执行指令的一段时间叫做**执行周期**。因此控制器反复交替地处于取指周期和执行周期之中；
每取出一条指令，控制器中的**指令计数器**就加1，从而为下一条指令做好准备，这就是为什么指令在存储器中是顺序存放的原因；
4. 指令流和数据流
我们使用bit来作为计算机的最小信息单位。
当CPU向存储器送入或者从存储器中取出信息时，往往是存取byte（字节）和Word（字）等较大信息单位，而不是bit；通常将组成一个Word的二进制位数叫做**字长**；
NOTE: 这应该是我们需要进行地址对齐的原因所在；
NOTE: 这部分内容在4.2.3 **指令字长度**章节也进行了介绍；
由于计算机使用的信息既有指令又有数据，所以**计算机字**既可以代表**指令**，也可以代表**数据**；如果某字代表的是要处理的数据，则称为**数据字**；如果某字为一条指令，则称为**指令字**；
我们看到，指令和数据统统都存放在内存中，从形式上来看，它们都是二进制数码，似乎很难分清楚哪些是**指令字**，哪些是**数据字**；那这就引出了一个问题：控制器是如何区分开哪些是**指令字**，哪些是**数据字**的？答案为：取指周期**中，从**内存**读出的**信息流**是**指令流，它流向**控制器**；执行周期**中从内存中读出的**信息流**为**数据流，它由内存流向**运算器**；显然，某些指令进行过程中，需要两次访问内存，一次是取指令，另一次是取数据，如表1.4中取数、乘数、加法、减法、存数指令就是如此；
1.3.5 适配器与输入输出设备
计算机系统中必须有**总线**，系统总线**是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传输的公共通路；借助**系统总线，计算机在系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息；