冯·诺依曼模型

核心思想

程序（指令）和数据以二进制形式不加区分地存储在同一存储器中。这意味着计算机可以通过改变存储器中的内容（即程序）来改变其任务，而无需重新连接或设计硬件。这是现代计算机灵活性的基石。

功能： 执行实际的算术和逻辑运算。
LC-3实现： 算术逻辑单元（ALU）。LC-3的ALU可以执行加法、按位与、按位取反等操作。它是数据通路的核心，负责对来自寄存器或内存的数据进行计算。

功能： 将外部世界的信息送入计算机。
LC-3实现： 键盘。在LC-3中，键盘是通过内存映射I/O实现的。一个特定的内存地址（如0xFE02）被关联到键盘的数据寄存器。当程序从该地址“加载”数据时，它实际上是在读取键盘的输入。

功能： 将计算机内部的计算结果呈现给外部世界。
LC-3实现： 显示器。同样通过内存映射I/O实现。一个特定的内存地址（如0xFE06）被关联到显示器的数据寄存器。当程序向该地址“存储”一个字符的ASCII码时，显示器就会在屏幕上显示相应的字符。

功能： 这是整个计算机的“指挥中心”。它负责协调所有其他部件的活动。
LC-3实现： 这是本书数字电路和微架构设计的核心。
- 控制单元的操作：
  1. 取指： 从内存中取出由PC指向的指令，放入指令寄存器（IR）。
  2. 译码： 分析IR中的指令，确定需要执行什么操作（是ADD还是LD？）以及操作数在哪里。
  3. 执行： 根据译码结果，发出一系列精细的控制信号，来指挥数据通路、ALU和内存完成指令要求的操作。例如，对于ADD指令，控制单元会发出信号：选择正确的寄存器作为ALU输入，设置ALU为加法模式，并将结果写回目标寄存器。

指令处理周期：机器的“心跳”。

控制单元通过周而复始地执行以下步骤来运行程序，这个循环就是冯·诺依曼模型的运行体现：

完成这些步骤后，PC被更新为下一条指令的地址，循环重新开始。中断的处理是这个基本循环的扩展，它允许外部事件暂停当前程序流。

指令周期

核心关系：执行一条机器指令需要多个时钟周期。

LD R1, [0x1234] 这条指令的意思是：将内存地址 0x1234 中的数据加载到寄存器R1中。

在一个简单的CPU设计中，这个过程需要至少4个时钟周期：

周期1 - 取指：
- 动作： CPU将程序计数器（PC）中的地址送到内存总线，从内存中取出 LD R1, [0x1234] 这条指令本身。
- 结果： 指令被存入CPU内部的指令寄存器（IR）。时钟沿到来，这个动作结束。
周期2 - 译码/计算地址：
- 动作： 控制单元解析IR中的指令，识别出这是条加载指令，并计算出要访问的内存地址 0x1234。
- 结果： 地址 0x1234 被准备好送到地址总线。下一个时钟沿到来，这个动作结束。
周期3 - 内存读：
- 动作： CPU将地址 0x1234 送到内存总线，并发出“读”信号。内存控制器开始工作，在经过其访问延迟后，将地址 0x1234 处的数据放到数据总线上。
- 结果： 数据从内存中被读出，到达CPU的数据引脚。下一个时钟沿到来，这个动作结束。 (注意：内存访问慢，这个周期可能本身就需要多个时钟周期，这里为简化视为一个)
周期4 - 写回：
- 动作： CPU将数据总线上的值存入目标寄存器R1。
- 结果： 指令执行完毕，R1中拥有了新数据。下一个时钟沿到来，这条指令的周期正式结束。

LD R1, [0x1234] （一条机器指令）
- = 取指周期（1个时钟周期）
- + 译码周期（1个时钟周期）
- + 内存读周期（1个或更多时钟周期）
- + 写回周期（1个时钟周期）
- = 总共需要4个（或更多）时钟周期