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文档简介
1、题目:计算机组成及其控制单元 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其控制单元的构建方法,一台计算机的核心是cpu,cpu的核心就是他的控制单元,控制单元好比人的大脑,不同的大脑有不同的想法,不同的控制单元也有不同的控制思路。所以,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。而冯诺依曼型计算机是计算机构建的经典结构,正是现代计算机的代表。 关键字: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:本课程采用从外部大框架入手,层层细化的叙述方法,先是介绍计算机的基本组成,发展和展望。后
2、详述了存储器,输入输出系统,通信总线,cpu的特性结构和功能,包括计算机的基本运算,指令系统和中断系统,并专门介绍了控制单元的功能和设计思路和实现措施。二课程主要内容和基本原理:A计算机的组成: 冯诺依曼型计算机主要有五大部件组成:运算器,存储器,控制器,输入输出设备。 1.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。总线是一种内部结构,它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道,主机的各个部件通过总线相连接,外部设备通过相应
3、的接口电路再与总线相连接,从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中,各个部件之间传送信息的公共通路叫总线,微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。总线按功能和规范可分为三大类型: (1) 片总线(Chip Bus, C-Bus) 又称元件级总线,是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。 (2) 内总线又称系统总线或板级总线,是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。 (3) 外总线又称通信总线,是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路,如EIA RS-23
4、2C、IEEE-488等。 其中的系统总线,即通常意义上所说的总线,一般又含有三种不同功能的总线,即数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。2.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
5、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。存储器是具有“记忆”功能的设备,它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符,例如英文字母、运算符号等,也要转换成二进制代码才能存储和操作。 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)
6、,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。在80386以上的高档微机中,还配置了高速缓冲存储器(cache),这时内存包括主存与高速缓存两部分。对于低档微机,主存即为内存。3.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。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
7、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。4.运算器: 计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算,与、或、非、异或等逻辑操作,以及移位、比较和传送等操作,亦称算术逻辑部件(ALU)。 运算器由:算术逻辑
8、单元(ALU)、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。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。计算机运行时,运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器;处理后的结果数据通常送回存储器,或暂时寄存在运算器中。与运算器共同组成了CPU的核心部分。 实现运算器的操作,特别是四则运算,必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能,也关系到运算器的结构和成本。另外,在进行数值计算时,结果的有效数位可能较长,必须截取一定的有效数位,由此而产生最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。在选择
9、计算机的数的表示方式时,应当全面考虑以下几个因素:要表示的数的类型(小数、整数、实数和复数):决定表示方式,可能遇到的数值范围:确定存储、处理能力。数值精确度:处理能力相关;数据存储和处理所需要的硬件代价:造价高低。运算器包括寄存器、执行部件和控制电路3个部分。在典型的运算器中有3个寄存器:接收并保存一个操作数的接收寄存器;保存另一个操作数和运算结果的累加寄存器;在 运算器进行乘、除运算时保存乘数或商数的乘商寄存器。执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号,使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器,完成规定的操作。为了减少对存储器的访问,很
10、多计算机的运算器设有较多的寄存器,存放中间计算结果,以便在后面的运算中直接用作操作数。B控制单元:控制单元负责程序的流程管理。正如工厂的物流分配部门,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,对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器IR中,通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。1.指令系统指令系统是计算机硬件的语
11、言系统,也叫机器语言,它是软件和硬件的主要界面,从系统结构的角度看,它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能决定了机器所要求的能力,也决定了指令的格式和机器的结构。对不同的计算机在设计指令系统时,应对指令格式、类型及操作功能给予应有的重视。计算机所能执行的全部指令的集合,它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。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
12、器的适用范围。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)。2.微指令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
13、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
14、期基本上就对应于一条微指令。三心得体会; 在做完这次课程论文后,让我再次加深了对计算机的组成原理的理解,对计算机的构建也有更深层次的体会。计算机的每一次发展,都凝聚着人类的智慧和辛勤劳动,每一次创新都给人类带来了巨大的进步。计算机从早期的简单功能,到现在的复杂操作,都是一点一滴发展起来的。这种层次化的让我体会到了,凡事要从小做起,无数的小便成就了大。现在计算机仍以惊人的速度发展,期待未来的计算机带给人们更大的惊喜和进步。四结语: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
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