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：

冯诺依曼模型的四个子系统和"存储程序"概念；

为什么程序和数据在内存中都是 0/1 位模式；

16 位 ALU 如何用一个 sel 信号完成加/减/与/或四种运算；

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

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）；
指令顺序执行：取指令 → 译码 → 执行，一条接一条；
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

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"。
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）。
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。
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）

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）。
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。
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

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）

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

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