通過機器碼程式了解馮諾依曼體系

馮諾依曼體系結構

簡介

現今所有的商用計算機都是基于馮諾依曼體系的計算機。

馮·諾依曼體系結構馮·諾依曼理論的要點是：計算機的數制采用二進制；計算機應該按照程式順序執行。存儲程式原理，把程式本身當作資料來對待，程式和該程式處理的資料用同樣的方式儲存，二者地位是相等的。

通過機器碼程式了解 馮諾依曼 計算機

下面将通過基于Pep8虛拟計算機運作的機器碼程式了解馮諾依曼計算機。（Pep8是用于教學的開源小型計算機，可以執行機器碼和彙程式設計式 下載下傳連結

http://computersystemsbook.com/5th-edition/pep9/

）

首先介紹 馮諾依曼周期

一個馮諾依曼周期包含 5 個操作：

• 取指
• 譯碼
• 增加PC（程式計數器）
• 執行指令

• 重複

  如圖：

  加載機器語言到記憶體
    初始化寄存器（PC，SP,IR等）
    do {
        取下一條指令
        解碼 指令訓示符
        遞增PC
        執行取出的指令
   } while（沒有執行停止指令）
             

指令和寄存器

每種計算機都有自己的指令集，固化在cpu中。Pep8有39條指令，這些指令分為兩類，由一個位元組（8位二進制）組成的 指令訓示符，或者由一個 指令訓示符 和一個由一個字（兩個位元組）組成的 操作數訓示符 組成。

Pep8中包含不限于PC（程式指令計數器），SP（棧指針計數器），IR（24位指令寄存器（3位元組））等寄存器。

将要用到的指令:

0000 0000 停止執行
0100 1aaa 字元輸入
0101 0aaa 字元輸出
    注（aaa表示一個字段，ａ可為0或1，表示尋址方式)
           

一個字元輸出程式

位址         機器語言（bin）
    ----        -------
0000        0101 0001 0000 0000 0000 0111
0003        0101 0001 0000 0000 0000 1000
0006        0000 0000
0007        0100 1000
0008        0110 1001

    位址         機器語言（hex）
    ----        --------  
0000        510007
0003        510008
0006        00
0007        48
0008        69

    輸出
    ----
    Hi
           

這兩段代碼是等價的，隻不過是前者更利于計算機識别和讀取，後者利于人類，但是計算機最終是要儲存二進制的序列，而非其他任何形式的結果。（注：位址為了便于表示使用四位十六進制數表示）

分析程式

首先将上面代碼輸入Pep8虛拟機後，首先要做的是，裝載。即将每條指令（每行右側序列）裝載到左側序列辨別的位址。如果裝載的指令是一進制指令即 指令訓示符 ，那麼他占據一個記憶體單元即一個位元組。如果指令是一個二進制指令也即 操作數訓示符 那麼他占據三個記憶體單元，是以第一條指令被裝載到 0000、0001、 0002 所辨別的記憶體。

當所有的指令裝載完成後，也就意味着一個程式在記憶體中，并處于可執行狀态。注意一點，這個程式的指令在記憶體中是逐條緊鄰的。

執行程式

根據 馮諾依曼周期，程式是順序執行的，是以初始化程式指令計數器PC,

PC: 0000             

CPU根據PC的值作為記憶體位址索引，找到該記憶體并将該記憶體的值（二進制序列）複制，通過總線傳輸到CPU的指令寄存器IR中，

IR：Mem[PC]       // 類比 數組索引值 a[i];           

此時CPU解釋IR中的指令，指令：0101 0001 0000 0000 0000 0111

我們來解釋一下這個指令，首先這是一個二進制指令，是以前一個位元組是指令訓示符，後兩個位元組是操作數訓示符。第一個位元組 0101 0001 （原指令模式 0101 0aaa）代表以直接尋址的方式輸出字元，後兩個位元組訓示要輸出的字元的位址，可以看出，這塊位址就是之前我們裝載程式時 0007 這塊記憶體，而記憶體中的值正是 ‘H’ 的ASCII碼值 48 。到此我們可以看出，其實 程式 和 程式的資料 對于計算機來說沒有差別，都是儲存在記憶體中的二進制數，計算機隻單純的将他們作為二進制數處理，而是作為 指令 被解釋還是作為 資料 被解釋是需要我們來定義。

接下來繼續程式的執行，當擷取到 操作數訓示符 辨別記憶體中的值後，将這個值發送到輸出裝置，此時由輸出裝置負責将該二進制數解釋為字元。

下一步，根據取出指令的長度進行PC的自增。重複上述過程，直到

PC：0006           

索引值為指令

0000 0000  ；結束指令           

程式結束。