3.2 原型系统

本节将在最小系统的基础上进行扩展，打造一个符合冯·诺依曼体系结构的原型系统。冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础，现在的大多数计算机仍是冯·诺依曼计算机体系结构，在这种体系中，计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

原型系统的结构如图3-13所示。

在原型系统中：

· 存储器为内存。

· 运算器（ALU）在CPU内部，与最小系统中ALU的功能相同。

· 输入设备为一个数字小键盘。为简单起见，假设输入的数字都是三位（不足三位的前面补0，例如001表示1、019表示19），并且大小不会超过127（因为本系统中整数只有一个字节）。

· 共有四个8位通用寄存器R0、R1、R2、R3，一个标志寄存器G，一个程序计数器PC，其中程序无法直接给寄存器G和PC赋值，所以在图3-13中没有画出。

· 输出设备为一个四位数码显示管。

控制器是整个原型系统的核心部件，主要功能是执行系统的指令，本原型系统设计的指令集中只包括12条指令，格式如表3-1所示。

在机器启动时，可以对内存空间进行划分，例如16字节的内存中，规定前面3字节（0000～0010）为数据段，只存储数据，最后一个字节为显存，用于保存显示输出的数据，中间的12字节用于存放代码，控制器的代码执行初始值可定义为0011，即第一条指令存放在0011处，然后顺序执行或跳转执行，直到遇到停机指令。其示意图如图3-14所示。

下面以两个简单的C语言程序为例，来说明原型系统的工作原理。

第一个程序的功能是输入一个大于1的数字a，计算1+2+…+a的值并显示出来，代码如下：

显然，我们的原型系统是无法运行这段C程序代码的，因此需要将该程序转换成原型系统能够执行的指令，这个转换过程也称为“编译”。此程序编译完成后的指令如下：

编译完成后，可以将此代码装载进内存中，此时原型系统的状态如图3-15所示。

本书编写了一个程序来模拟原型系统，读者可在封底指示的网站下载相关代码，运行hnuvspm即可模拟原型系统的运行。

第二个程序的功能是输入两个数，保存这两个数，并输出其中的最小值。C程序代码如下。

编译完成后的指令如下：

编译完成后，可以将此代码装载进内存中，此时原型系统的状态如图3-16所示。