计算机组成原理学习笔记：ALU，寄存器和CPU

计算机组成原理学习笔记：ALU，寄存器和CPU

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/m0_66203806/article/details/139029480

计算机组成原理是计算机科学与技术领域的基础课程，它涉及计算机硬件的基本组成、功能以及工作原理。本笔记旨在梳理ALU（算术逻辑单元）、寄存器和CPU（中央处理器）的核心概念、功能以及它们在计算机系统中的作用。

第一部分：ALU（算术逻辑单元）

1.1 定义

ALU是计算机处理器中执行所有算术和逻辑操作的部件。它是执行实际计算的中心，可以执行加法、减法、乘法、除法等算术操作，以及AND、OR、NOT、XOR等逻辑操作。

1.2 功能

• 算术操作：加法、减法、乘法、除法等。
• 逻辑操作：AND、OR、NOT、XOR、比较等。
• 数据转换：如浮点数与整数之间的转换。

1.3 结构

ALU通常由一系列的数字逻辑电路组成，如门电路、触发器等。这些电路协同工作，执行复杂的算术和逻辑运算。

1.4 学习过程

• 理解二进制数的算术和逻辑运算。
• 学习ALU的内部结构和设计原理。
• 通过实例分析ALU如何执行特定的操作。

第二部分：寄存器

2.1 定义

寄存器是CPU内部的高速存储资源，用于暂存指令、数据和地址等信息。它们是CPU中最快的存储部件。

2.2 类型

• 累加器（Accumulator）：用于存储操作结果。
• 指令寄存器（Instruction Register）：保存当前正在执行的指令。
• 程序计数器（Program Counter）：存储下一条指令的地址。
• 数据寄存器：用于存储操作数和结果。

2.3 功能

• 快速访问和存储信息。
• 与ALU协同工作，提供操作数和接收结果。

原理：A+B通过半加器的结果和C进入下一个半加器，再用OR门判断是否进位

2.4 学习过程

• 学习不同类型的寄存器及其作用。
• 理解寄存器在指令执行周期中的角色。
• 分析寄存器如何与内存和ALU交互。

门锁
AND-OR锁存器用两条线输入，麻烦难以理解

• 一条输入线（DATA INPUT） （设 0 或 1 存储数据）
• 一条允许写入线（WRITE ENABLE） （启用时允许写入，没启用时锁定）

第三部分：CPU（中央处理器）

3.1 定义

CPU是计算机的大脑，负责解释和执行程序中的指令。它控制数据流在计算机系统中的移动。

3.2 功能

• 指令执行：解析和执行程序指令。
• 控制：管理数据流和协调其他硬件组件。
• 数据处理：通过ALU进行算术和逻辑运算。

3.3 结构

CPU主要由以下几个部分组成：

• 控制单元（Control Unit, CU）：负责指令的解码和执行控制。
• 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）：执行算术和逻辑运算。
• 寄存器组（Register Set）：存储指令、数据和地址。

3.4 学习过程

• 理解CPU的指令执行周期。
• 学习控制单元的工作原理。
• 分析CPU如何与内存、输入输出设备交互。

必备组件
内存（RAM)，程序可以存储在内存中
CPU
数据寄存器（REGISTER A/B/C/D）来临时存数据和操作数据
控制单元（CONTROL UNIT）指挥CPU内的所有组件
1 个追踪程序运行到哪的指令地址寄存器（INSTRUCTION REGISTER），存当前指令的内存地址
1 个存当前指令的指令寄存器（INST.ADDR.REGISTER）
一堆指令解码逻辑电路
算术逻辑单元（ALU）负责处理运算
时钟负责管理CPU运行的节奏，以精确地间隔触发电信号，控制单元用这个信号推动CPU的内部操作