--- tags: [数电] type: note source_type: reconstructed created: 2026-08-18 updated: 2026-08-18 aliases: [冯诺依曼, 计算机组成, CPU, ALU, 算术逻辑单元, 计算单元] --- # 从零搭建计算机（上）：组成与算力 > [!note] 对象层 > 学完这篇，你能**判断**： > > 1. 冯诺依曼模型的四个子系统和"存储程序"概念； > 2. 为什么程序和数据在内存中都是 0/1 位模式； > 3. 16 位 ALU 如何用一个 sel 信号完成加/减/与/或四种运算； > 4. 计算单元（ALU+寄存器+时钟）如何一步步累加出一个算式。 > > 学完后配合 [[11-从零搭建计算机（下）-控制与指令|数电 11（下）]]，就能看懂一台"从零搭建"的计算机全貌。 > **用生活理解**：冯诺依曼模型的计算机像"一个会记流水账的柜台"——差旅费、机票单（程序和数据的本质都是"纸"）全摆在同一张桌子上（同一块内存），由"掌柜"（控制单元）按一张"步骤卡"（指令）逐条处理。ALU 是"算盘的珠子"（加法/减法/与/或），寄存器是"柜台的临时小筐"，时钟就是"敲一下干一步"的节拍器。 --- ## 一、一句话本质 **基于冯诺依曼模型的计算机 = 存储器 + ALU（算力）+ 控制单元（指挥）+ I/O（进出），程序和数据都以位模式存放在同一块内存里、按指令顺序执行；ALU 用"选择器"把加/减/与/或做成一组通用运算单元。** --- ## 二、速查表（公式与结论） ### 2.1 冯诺依曼模型四个子系统 | 子系统 | 职责 | | ---------------- | ------------------------------------ | | 存储器 | 存储**数据和程序**（都存同一块内存） | | 算术逻辑单元 ALU | 做算术/逻辑/位运算 | | 控制单元 | 控制存储器、ALU、I/O 等所有子系统 | | 输入/输出单元 | 从外部接收输入、把结果输出到外部 | ### 2.2 存储程序三大要点 1. **程序也存内存**：程序和数据逻辑相同，格式相同 → 都是**位模式（0/1）**； 2. **指令顺序执行**：取指令 → 译码 → 执行，一条接一条； 3. **流水线**：把取指/译码/执行重叠并行 → 提升吞吐量。 ### 2.3 ALU 运算选择（sel 映射，背下来） | sel | 结果 | | ---- | ------ | | 0b00 | A + B | | 0b01 | A − B | | 0b10 | A & B | | 0b11 | A \| B | > 配套信号：**Cin/Cout** = 进位输入/输出；**ZF** = A 与 B 是否相等的标志（比较器给出）。把 A、B、加法器、减法器、与门、或门、比较器全部设成 16bit → 就是 16 位 ALU。 ### 2.4 指令周期（无流水线） ``` 取指令 → 译码 → 执行 →（下一条）取指令 → 译码 → 执行 → … ``` --- ## 三、判别规则 1. **判断"是不是冯诺依曼"**：看是否"程序和数据同存一块内存、按地址取指、顺序执行"。 2. **ALU 选运算**：sel 是几条控制线的二进制组合，**一组 sel 就是一个"指令"**（这是 [[11-从零搭建计算机（下）-控制与指令|数电 11]] 指令集的源头）。 3. **存储程序 vs 直接电路**：有"内存+取指"就能改程序不用改线路；纯固定电路 = 非通用计算机。 4. **时钟频率的代价**：频率 ↑ → 单位时间开关更多次 → 电流大 → **发热大**（现实中限制 CPU 提频的物理因素）。 --- ## 四、易混对比 | 易混点 A | 易混点 B | 关键区别 | | ------------ | -------- | ---------------------------------------------------------------------------------------- | | CISC | RISC | CISC 指令复杂多变、控制器电路复杂（x86）；RISC 指令精简统一、电路简单（ARM/RISC-V） | | 冯诺依曼结构 | 哈佛结构 | 冯诺依曼单内存、指令数据同存（本课）；哈佛指令/数据内存分离（单片机常用） | | 无流水线 | 流水线 | 一条指令完整跑完再取下条 vs 三条指令的取指/译码/执行重叠进行 | | 数据 RAM | 指令 RAM | 数据 RAM 存要算的数；指令 RAM 存控制信号（ALU sel 序列）——都是RAM，用途不同（见数电 11） | --- ## 五、典型例题（先想再翻） 1. **ALU 运算**：16 位 ALU，A=13，B=45，sel=0b00，S 是多少？ > 答：0b00=加 → S=58；Cin/Cout 处理进位，ZF=0（不等）。 2. **累加**：计算单元中依次输入 B=13、45、27、6 并各拍一次按钮，最终寄存器输出？ > 答：13 → 58 → 85 → 91。按钮模拟时钟，每次上升沿把 ALU 结果存入寄存器。 3. **陷阱题**：同学说"冯诺依曼模型把程序放 CPU 里执行，数据放内存里"。 > 答：错。冯诺依曼的核心恰恰是**程序和数据同存一块内存**（都是位模式），控制器从内存取指令再执行。 --- ## 六、完整知识点 ### 6.1 为什么"程序能存内存" 冯诺依曼基于通用图灵机：数据和程序在逻辑上相同，都可用 0/1 位模式编码 → **同一块存储器可以既放数据又放程序**。这是"软件能用刷固件/改文件的方式更换"的根本原因。 ### 6.2 取指-译码-执行（指令顺序执行） - **取指令**：控制单元命令系统把下一条指令复制到指令寄存器，PC 地址存到程序计数器，取完 PC 自动 +1； - **译码**：控制单元把指令翻译成一系列可执行的二进制控制信号； - **执行**：各部件按控制信号动作； - 三个步骤串行为一个周期（现代靠流水线重叠加速，见下）。 ### 6.3 流水线 串行时一条指令三个阶段都空闲等待；**流水线**把三条指令的取指/译码/执行在时间上重叠 → 单位时间完成的指令数（吞吐量）大幅提升。代价是电路更复杂（冲突、冒险处理）。 ### 6.4 简单计算机 = CPU + 存储器 + I/O ``` CPU 内存 ┌────────────┐ 地址总线 地址 │ ALU │ ┌───────────────┐ 内容(16bit) 地址(8bit) │ 寄存器 │──数据──→│ 数据/程序 │ │ 控制单元 │──地址──→│ （同一块） │ └────────────┘ 控制总线 └───────────────┘ │ 键盘/显示器/打印机/鼠标 ── 各自的控制器 ── 总线 ``` 一台"非真实但完整"的简单计算机：CPU 负责计算与指挥，内存统一存代码和数据，I/O 控制器挂到总线上。 ### 6.5 选择器（多路复用器）——ALU 的开关 - **二选一 MUX**：sel 选 A 还是 B 输出； - **四选一 MUX**：两个二选一叠加 → 用 2 位 sel 选 4 路之一。 - ALU 正是用 4 选 1 MUX 从"加法器/减法器/与门/或门"四个结果中挑一个输出。 ### 6.6 16 位 ALU 实现 ![16 位 ALU（加/减/与/或 + Cin/Cout/ZF）](assets/alu_16bit.png) 电路里放：加法器、减法器、与门、或门、比较器四个"候选运算器"，它们的输出全部进 4 选 1 选择器，由 sel（2bit）挑一个作为 S 输出；Cin/Cout 管进位，比较器给出 ZF（两数相等标志）。**把所有元件位宽设成 16 → 16 位 ALU。** ### 6.7 简单计算单元（ALU + 寄存器 + 按钮） ![简单计算单元（ALU + 16 位寄存器 + 按钮 + 常量）](assets/computing_element.png) - 结构：16 位寄存器 + 刚实现的 ALU + 按钮 + 3 个常量（sel 常量恒为 0b00 → 只算加法）； - 算 `13+45+27+6`：依次把 B 输入 13/45/27/6，每输入一个**拍一次按钮** → 寄存器累加 13→58→85→91； - **按钮 = 时钟信号**：时钟是计算机电路的"节拍器"，由晶振统一产生；CPU 以时钟为单位计算，**频率越高越快，但也越热**（电流随频率增大）。 --- ## 七、与 PCB 画图的关联 - **晶振 + 时钟树**：MCU 原理图的 OSC 引脚与外部晶振/负载电容 = "节拍器"硬件化（对应 [[06-时序逻辑电路与状态机|数电 06]] 分频概念）。 - **MCU 内部的 ALU/寄存器组**：读 STM32 手册的 CPU 章节就是本课的"成品版"。 - 理解"时钟频率→发热"才能看懂 **散热器/电源去耦** 在原理图与 PCB 上的必要性。 - 总线三线（地址/数据/控制）是原理图大量走线的抽象——详见 [[11-从零搭建计算机（下）-控制与指令|数电 11]] 总线章节。 > 来源：尚硅谷《从零搭建计算机》第 2 章（计算机组成原理）+ 第 3.1~3.2 节（ALU 与计算单元）；关联 [[冯诺依曼体系结构]] 维基页