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计算机组成原理课程综述【内容摘要】 本论文主要论述了冯诺依曼型计算机的基本组成与器控制单元的构建方法。计算机组成原理是依据计算机体系结构， 在确定且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，以及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。一台计算机的核心是CPU，CPU的核心就是他的控制单元，控制单元直接影响着指令系统，它的格式不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响机器的适用范围。【关键词】 冯诺依曼型计算机，计算机的组成，指令系统，微指令一、计算机组成原理课程综述 计算机组成原理是硬件系列课程中的核心课程，是计算机专业重要的专业基础课，它对其它课程有承上启下的作用，它的先修课程为“汇编语言”、“数字逻辑” ，它又与“计算机系统结构”、“操作系统”、“计算机接口技术”等课程密切相关。它主要讨论计算机各组成部件的基本概念、基本结构、工作原理及设计方法。以层次结构的观点来叙述计算机各主要功能部件及组成原理；以数据信息和控制信息的表示、处理为主线来组织教学。课程内容按横向方式组织，即不是自始至终介绍某一特定计算机的组成和工作原理，而是从一般原理出发，结合实例加以说明。 二、计算机组成原理主要内容和基本原理1、计算机的基本组成（一）冯诺依曼计算机的特点1）计算机有运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成。 2）指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。 3）指令和数据均用二进制数表示。 4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。 5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。 6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。（二）计算机的硬件框图控制线和反馈线图1 典型的冯诺依曼计算机结构框图 1图2 以存储器为中心的计算机结构框图 11）运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。2）存储器用来存放数据和程序。3）控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。4）输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式。5）输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式。2、计算机系统的硬件结构（一）系统总线总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。串行传输：串行总线的数据在数据线上按位进行传送，只需一根数据线，线路成本低，适合远距离的数据传输。使用串行通信总线连接慢速设备，像键盘、鼠标和终端设备等。串行传输中的数据转换 、发送部件中并行数据到串行数据的转换，称为拆卸；接收部件中串行数据转换成并行数据，称为装配。串行传输中的数据传输速率。并行传输：并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线。并行数据传输需要联络控制信号。总线裁决：决定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权的过程称为总线裁决。 两类总线裁决方式：集中式和分布式。定时问题：如何来定义总线事务中的每一步何时开始、何时结束。总线异步通信协议的步骤：请求，响应，撤销请求，撤销响应。异步通信子协议类型：全互锁，半互锁，不互锁。（二）存储器存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存。内存储器又常称为主存储器（简称主存），属于主机的组成部分；外存储器又常称为辅助存储器（简称辅存），属于外部设备。CPU不能像访问内存那样，直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。随机存储器：存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器1）静态存储单元（SRAM）存储原理：由触发器存储数据。单元结构：六管NMOS或OS构成。优点：速度快、使用简单、不需刷新、静态功耗极低；常用作CACHE。缺点：元件数多、集成度低、运行功耗大。2）动态存储单元（DRAM）存贮原理：利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理，需刷新（早期：三管基本单元；现在：单管基本单元）。 刷新(再生)：为及时补充漏掉的电荷以避免存储的信息丢失，必须定时给栅极电容补充电荷的操作。刷新时间：定期进行刷新操作的时间。该时间必须小于栅极电容自然保持信息的时间（小于2MS）。优点： 集成度远高于SRAM、功耗低，价格也低。缺点：因需刷新而使外围电路复杂；刷新也使存取速度较SRAM慢，所以在计算机中，DRAM常用于作主存储器。（三）输入输出系统（I/O系统）I/O系统是操作系统的一个重要的组成部分，负责管理系统中所有的外部设备。I/O接口的功能：（1）数据缓冲，（2）错误或状态检测，（3）控制和定时，（4）数据格式转换，（5）与主机和设备通信 。I/O接口的分类：(1) 按数据传送方式分，有并行接口和串行接口；(2) 可编程接口和不可编程接口；(3) 按通用性来分，有通用接口和专用接口。I/O端口的编址方式 ：(1) 独立编址方式：对所有的I/O端口单独进行编号，成为一个独立的I/O地址空间。(2) 统一编址方式：将主存地址空间分出一部分地址给I/O端口进行编号。计算机外部设备：在计算机系统中除CPU和内存储外所有的设备和装置称为计算机外部设备（外围设备、I/O设备）。I/O设备：用来向计算机输入和输出信息的设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。I/O设备与主机交换信息有三种控制方式：程序查询方式，程序中断方式，DMA方式。程序查询方式是由CPU通过程序不断的查询I/O设备是否做好准备，从而控制其与主机交换信息。程序中断方式不查询设备是否准备就绪，继续执行自身程序，只是当I/o设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才给予响应，这大大提高了CPU的工作效率。在DMA方式中，主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与其交换信息时，无需调用中断服务程序。DMA控制器：即采用DMA方式的外设与系统总线之间的接口电路。其种类包括： 选择型DMAC：在物理上可连接多个设备，而在逻辑上只允许连接一个设备。不适用于慢速设备。 多路型DMAC：适用于同时为多个慢速外设服务。即在物理上可连接多个设备，在逻辑上也允许这些设备同时工作。各设备以字节交叉方式通过DMAC进行数据传送。3、中央处理器中央处理器主要包括计算机的运算方法，利用二进制分别表示定点数和浮点数，继而进行定点和浮点运算。算术逻辑运算单元（ALU）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。指令系统一般均包含算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、判定和控制型、输入和输出型等指令。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。常见的指令格式有以下几种。1、三地址指令：一般地址域中A1、A2分别确定第一、第二操作数地址,A3确定结果地址。下一条指令的地址通常由程序计数器按顺序给出。2、二地址指令：地址域中A1确定第一操作数地址，A2同时确定第二操作数地址和结果地址。3、单地址指令：地址域中A确定第一操作数地址。固定使用某个寄存器存放第二操作数和操作结果。因而在指令中隐含了它们的地址。4、零地址指令：在堆栈型计算机中，操作数一般存放在下推堆栈顶的两个单元中，结果又放入栈顶，地址均被隐含，因而大多数指令只有操作码而没有地址域。根据指令内容确定操作数地址的过程称为寻址。一般的寻址方式有立即寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，相对寻址等。一条指令实际上包括两种信息即操作码和地址码。操作码用来表示该指令所要完成的操作，如加、减、乘、除、数据传送等。其长度取决于指令系统中的指令条数。地址码用来描述该指令的操作对象，它或者直接给出操作数，或者指出操作数的存储器地址或寄存器地址（即寄存器名）。CPU的基本功能是取指令、分析指令和执行指令。它必须具有控制程序的顺序执行（称指令控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（称操作控制）、对各种操作加以时间上的控制（称时间控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加工）以及处理中断等功能。CPU由CU、ALU、寄存器及中断系统四大部分组成。寄存器分为用户可见寄存器及控制和状态寄存器。控制器三种时序控制方法：同步，异步，联合控制方法。4、控制单元 包括控制单元的功能和控制单元的设计，其中微操作命令包括取指周期、间址周期、执行周期和中断周期。控制单元的设计又包括组合逻辑设计和微程序设计。控制单元负责程序的流程管理。控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR、指令译码器ID和操作控制器0C三个部件组成。控制单元是CPU的一部分，计算机无论完成什么任务，都是在控制单元控制下完成的。CU向CPU外部发出控制信号，以命令CPU与存储器和I/O模块交换数据，控制单元也向CPU内部发送控制信号，以完成寄存器间数据传送，使ALU完成指定的功能以及其他内部操作。在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。所以微指令就是把同时发出的控制信号的有关信息汇集起来形成的。将一条指令分成若干条微指令，按次序执行就可以实现指令的功能。若干条微指令可以构成一个微程序，而一个微程序就对应了一条机器指令。因此，一条机器指令的功能是若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的操作分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素。微指令格式大体分成两类:水平型微指令和垂直型微指令。从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应关系上看，前者与内存储器有关，而后者与控制存储器（它是微程序控制器的一部分。微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三部分组成。其中，微指令寄存器又分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分）有关。同时从一般指令的微程序执行流程图可以看出。每个CPU周期基本上就对应于一条微指令。微程序设计是指将一条机器指令编写成一个微程序，每一个微程序包含若干条微指令，每一条微指令对应一个或几个微操作命令，然后把这些微程序存到一个控制存储器中，用寻找用户程序机器指令的方法来寻找每一个为程序中的微指令。这些微指令以二进制代码形式表示，每位代表一个控制信号，因此逐条执行每一条微指令，也就相应的完成了一条机器指令的全部操作。微指令的编码方式有直接编码、字段直接编码、字段间接编码、混合编码等。三、实际应用自从1945年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机技术迅猛发展，CPU的速度越来越快，体积越来越小，价格越来越低。计算机界据此总结出了“摩尔法则”，该法则认为每18个月左右计算机性能就会提高一倍。越来越多的专家认识到，在传统计算机的基础上大幅度提高计算机的性能必将遇到难以逾越的障碍，从基本原理上寻找计算机发展的突破口才是正确的道路。很多专家探讨利用生物芯片、神经网络芯片等来实现计算机发展的突破，但也有很多专家把目光投向了最基本的物理原理上，因为过去几百年，物理学原理的应用导致了一系列应用技术的革命，他们认为未来光子、量子和分子计算机为代表的新技术将推动新一轮超级计算技术革命。四、心得体会 计算机组成原理是计算机科学与技术专业的必修的硬件课程之一。书本由整体到局部，由简入繁，层层深入，让我们系统的学习了计算机的组成原理。计算机组成原理是计算机专业的基础课。当今计算机技术发展迅速，但是基础知识和理论却是不变的，只有把基础知识掌握牢固才能以不变应万变，同时学完计算机组成原理这门课程，通过介绍计算机的软件和硬件技术，也就能够让我们对计算机有了一个更