第一次呼吸

复习

第三十五章至第三十八章：定义了指令，做出了控制器和 CPU
第三十九章：了解了指令流水线
第四十章至第四十二章：接上了总线、输入输出和中断

TL;DR

这一章把最后的所有系统合到一起，让一台完整的计算机跑起来
我们放一段程序进内存，看它从取指到输出，全程自动完成
至此，从晶体管到整机，这台机器第一次“活“了过来

正文

　　零件的时代结束了。运算器、存储器、CPU、总线、外设、中断，全都造好了。今天，我们让它们一起呼吸。

全家福

        ┌──────────────────────────────────────┐
        │              CPU                     │
        │  ┌──────────┐      ┌────────────┐    │
        │  │  控制器   │◀────▶│   运算器    │    │
        │  └──────────┘      └────────────┘    │
        │        ▲   ┌──────────────────┐      │
        │        └───│ 寄存器 / PC / IR  │      │
        │            └──────────────────┘      │
        └────────────────┬─────────────────────┘
                         │
                    ┌────┴────┐
                    │  总线   │
                    └────┬────┘
          ┌──────────────┼──────────────┐
          ▼              ▼              ▼
      ┌────────┐    ┌─────────┐    ┌──────────┐
      │  内存   │    │ 缓存     │    │ 输入输出  │
      │(存储器) │    └─────────┘    │  设备     │
      └────────┘                    └──────────┘

　　这张图里的每一个方块，都对应前面某一章。它们不再是孤立的零件，而是一个系统。

放一段程序进去

　　我们在内存里放一段很小的程序，它做一件事：把两个数加起来，再把结果输出到一个灯泡上。

地址     指令
100     LOAD R1, [200]   ; 把内存 200 处的数取到 R1
104     LOAD R2, [201]   ; 把内存 201 处的数取到 R2
108     ADD  R3, R1, R2  ; R3 = R1 + R2
112     STORE [202], R3  ; 把 R3 写回内存 202
116     OUT  [202]       ; 把内存 202 的内容输出到灯泡
...
200     3
201     5
202     0

看它自己跑起来

　　接下来，没有任何人干预。时钟开始跳动，CPU 开始工作：

第 1 个周期   取指令：PC=100，把 "LOAD R1,[200]" 取进 IR
第 2 个周期   译码：控制器认出这是一条"加载"指令
             执行：从内存 200 取出 3，送进 R1
第 3~5 周期   同理，R2 取到 5
第 6 个周期   取指、译码 "ADD R3,R1,R2"
             执行：运算器算出 8，写进 R3
第 7 个周期   把 8 写回内存 202
第 8 个周期   取指、译码 "OUT [202]"
             执行：通过总线，把 8 送到输出设备

　　灯泡亮了——它表示数字 8。

　　整个过程，没有一只手拨开关，没有一个数被人抄写。机器自己取指令、自己译码、自己运算、自己输出。它活了。

它还会被打断

　　就在这时，键盘（一个输入设备）被按下了。它拉响中断信号。CPU 不慌不忙：先把当前的程序现场保存下来，去处理键盘中断，处理完再恢复现场，从刚才断掉的地方继续。程序仿佛什么都没发生过。

　　这就是第四十二章的中断系统在起作用。机器不仅能自动跑，还能同时应付外界的突发状况。

回过头看

　　从第一章“因为懒，想要一台会算数的机器“，到现在，我们亲手走过了：

晶体管 → 逻辑门 → 加法器 → 运算器
       → 锁存器 → 触发器 → 寄存器 → 存储器
       → 指令 → 控制器 → CPU → 总线 → 外设 → 中断
       → 一台会呼吸的计算机

　　这就是计算机组成原理的全貌。它不是一堆孤立零件的堆砌，而是一层层搭起来、彼此咬合的整体。

　　再回头看总览里那四句话，现在应该句句都能体会了：

懒是人类进步的第一动力——整台机器，就是“想把活儿交给机器“的产物
没有什么问题是加一层解决不了的——从门到 ALU，从寄存器到缓存，处处如此
人类所有知识都来源于好奇心和解决问题——每个部件，都是被一个具体问题逼出来的
所有庞大学科知识体量均由积累而成——四十多章，也是一小步一小步垒起来的

　　到这里，组成原理这条线就走完了。但计算机科学远不止于此，远处还有更辽阔的世界：

操作系统：怎样管理 CPU、内存、文件和设备
编译原理：高级语言如何一步步变成机器能懂的 0 和 1
计算机网络：多台计算机怎样连成一张网
数据结构与算法：怎样把问题解得更快更好

　　本站的《计算机科学极简入门指南》还会有更多分册，欢迎继续同行。

　　如果你想亲手把这些电路搭出来，可以试试 Logisim 这类数字电路模拟器，或者直接玩一遍 nand2tetris 项目——你会发现，这一路学的东西，都能亲手拼一遍。

思考题

　　在上面那段程序里，如果内存里存的不是指令，而是一串普通数据，CPU 会怎么样？冯·诺依曼体系结构“把程序和数据处理成一样“的优点和风险，分别是什么？

小结

知识点

CPU、内存、总线、外设、中断如何协同
一条程序从取指到输出的完整流程
中断如何在程序运行中插入处理
从晶体管到整机的完整脉络

参考资料

Wikipedia(zh)：冯·诺依曼结构：存储程序思想
Wikipedia(zh)：指令周期：CPU 执行指令的过程

思考题答案（仅供参考）

　　CPU 并不知道哪块内存是“指令“、哪块是“数据“，它只会照着 PC 指的地址去取、去译码、去执行。如果那里正好是数据，它也会当成指令去执行，结果往往是一团乱麻。

　　好处是极大的灵活性：程序可以像数据一样被加载、修改、复制，一台通用机器能跑无数种程序。风险也在于此：一旦指针出错、程序跳到数据区，或者恶意代码把数据伪装成指令，机器就会执行本不该执行的东西——缓冲区溢出攻击就是利用这一点。

协议

　　本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。

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设计师 | 南国微雪

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