計算機組成原理課程綜述論文

1、計算機組成原理課程綜述【內(nèi)容摘要】本論文主要論述了馮 ?諾依曼型計算機的基本組成與器控制單元的構(gòu)建方法。計算機組成原理是依據(jù)計算機體系結(jié)構(gòu)，在確定且分配了硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計計算機各部件的具體組成，以及它們之間的連接關(guān)系，實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。一臺計算機的核心是CPU CPU的核心就是他的控制單元，控制單元直接影響著指令系統(tǒng)，它的格式不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響機器的適用范圍。【關(guān)鍵詞】馮諾依曼型計算機，計算機的組成，指令系統(tǒng)，微指令一、計算機組成原理課程綜述計算機組成原理是硬件系列課程中的核心課程，是計算機專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課

2、，它對 其它課程有承上啟下的作用，它的先修課程為“匯編語言”、“數(shù)字邏輯”，它又與“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)” 、“操作系統(tǒng)”、“計算機接口技術(shù)”等課程密切相關(guān)。它主要討論計算機各組成部件的基本概念、基本結(jié)構(gòu)、工作原理及設(shè)計方法。以層次結(jié)構(gòu)的觀點來敘述計算機各主要功能部件及組成原理；以數(shù)據(jù)信息和控制信息的表示、處理為主線來組織教學。課程內(nèi)容按橫向方式組織，即不是自始至終介紹某一特定計算機的組成和工作原理，而是從一般原理出發(fā)，結(jié)合實例加以說明。二、計算機組成原理主要內(nèi)容和基本原理1、計算機的基本組成（一）馮?諾依曼計算機的特點1）計算機有運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成。2）指令和數(shù)

3、據(jù)以同等地位存放于存儲器內(nèi)，并可按地址尋訪。3）指令和數(shù)據(jù)均用二進制數(shù)表示。4）指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲器中的位置。5）指令在存儲器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。6）機器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送通過運算器完成。（二）計算機的硬件框圖圖 1典型的馮 ?諾依曼計算機結(jié)構(gòu)框圖1圖 2 以存儲器為中心的計算機結(jié)構(gòu)框圖11）運算器用來完成算術(shù)運算和邏輯運算，并將運算的中間結(jié)果暫存在運算器內(nèi)。2）存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序。3）控制器用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、

4、運行以及處理運算結(jié)果。4）輸入設(shè)備用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機器能識別的信息形式。5）輸出設(shè)備可將機器運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式。2、計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（一）系統(tǒng)總線總線是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束，按照計算機所傳輸?shù)男畔⒎N類，計算機的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號。串行傳輸：串行總線的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上按位進行傳送，只需一根數(shù)據(jù)線，線路成本低,適合遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。使用串行通信總線連接慢速設(shè)備，像鍵盤、鼠標和終端設(shè)備等。串行傳輸中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、發(fā)送部件中并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，稱為拆卸；接收

5、部件中串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，稱為裝配。串行傳輸中的數(shù)據(jù)傳輸速率。并行傳輸：并行總線的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上同時有多位一起傳送，每一位要有一根數(shù)據(jù)線。并行數(shù)據(jù)傳輸需要聯(lián)絡(luò)控制信號?？偩€裁決：決定哪個總線主控設(shè)備將在下次得到總線使用權(quán)的過程稱為總線裁決。兩 類總線裁決方式：集中式和分布式。定時問題：如何來定義總線事務(wù)中的每一步何時開始、何時結(jié)束。總線異步通信協(xié)議的步驟：請求，響應(yīng)，撤銷請求，撤銷響應(yīng)。異步通信子協(xié)議類型：全互鎖，半互鎖，不互鎖。（二）存儲器存儲器是計算機系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機中全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器中。它根

6、據(jù)控制 器指定的位置存入和取出信息。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器（內(nèi)存）和輔助存儲器（外存）,也有分為外部存儲器和內(nèi)部存儲器的分類方法。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤等，能長期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲部件，用來存放當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)會丟失。存儲器的主要功能是存儲程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計算機運行過程中高速、自動地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。按照與 CPU的接近程度，存儲器分為內(nèi)存儲器與外存儲器，簡稱內(nèi)存與外存。內(nèi)存儲器又常稱為主存儲器（簡稱主存），屬于主機的組成部分；外存儲器又常稱為輔助存儲器（簡稱輔

7、存），屬于外部設(shè)備。 CPU不能像訪問內(nèi)存那樣，直接訪問外存，外存要與CPU或 I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，必須通過內(nèi)存進行。隨機存儲器：存儲單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關(guān)的存儲器1） 靜態(tài)存儲單元（SRAM ）存儲原理：由觸發(fā)器存儲數(shù)據(jù)。單元結(jié)構(gòu)：六管NMO戒 OS構(gòu)成。優(yōu)點：速度快、使用簡單、不需刷新、靜態(tài)功耗極低；常用作CACHE。缺點：元件數(shù)多、集成度低、運行功耗大。2） 動態(tài)存儲單元（DRAM ）存貯原理：利用MOS管柵極電容可以存儲電荷的原理，需刷新（早期：三管基本單元；現(xiàn)在：單管基本單元）。刷新（再生） ：為及時補充漏掉的電荷以避免存儲的信息丟失，必

8、須定時給柵極電容補充電荷的操作。刷新時間：定期進行刷新操作的時間。該時間必須小于柵極電容自然保持信息的時間（小 于2MS）。優(yōu)點：集成度遠高于SRA M功耗低，價格也低。缺點：因需刷新而使外圍電路復(fù)雜；刷新也使存取速度較 SRAM慢，所以在計算機中，DRAM常用于作主存儲器。（三）輸入輸出系統(tǒng)（I/O 系統(tǒng)）I/O系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一個重要的組成部分，負責管理系統(tǒng)中所有的外部設(shè)備。I/O接口的功能：（ 1）數(shù)據(jù)緩沖，（ 2）錯誤或狀態(tài)檢測，（ 3）控制和定時，（ 4）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，（5）與主機和設(shè)備通信。I/O接口的分類：（1） 按數(shù)據(jù)傳送方式分，有并行接口和串行接口；（ 2） 可編程接口和不可

9、編程接口；（3） 按通用性來分，有通用接口和專用接口。立的I/O I/O端口的編址方式： （ 1） 獨立編址方式：對所有的I/O端口單獨進行編號，成為一個獨地址空間。（ 2） 統(tǒng)一編址方式：將主存地址空間分出一部分地址給I/O端口進行編號。計算機外部設(shè)備：在計算機系統(tǒng)中除CPU和內(nèi)存儲外所有的設(shè)備和裝置稱為計算機外部設(shè)備（外圍設(shè)備、I/O設(shè)備）。I/O設(shè)備：用來向計算機輸入和輸出信息的設(shè)備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。I/O 設(shè)備與主機交換信息有三種控制方式：程序查詢方式，程序中斷方式，DMA方式。程序查詢方式是由CPU通過程序不斷的查詢I/O 設(shè)備是否做好準備，從而控制其與主機交換信息。

10、程序中斷方式不查詢設(shè)備是否準備就緒，繼續(xù)執(zhí)行自身程序，只是當I/o設(shè)備準備就緒并向CPU發(fā)出中斷請求后才給予響應(yīng)，這大大提高了CPU勺工作效率。在DMA方式中，主存與I/O設(shè)備之間有一條數(shù)據(jù)通路，主存與其交換信息時，無需調(diào)用中斷服務(wù)程序。擇型DMA控制器：即采用 DMA方式的外設(shè)與系統(tǒng)總線之間的接口電路。其種類包括： DMAC在物理上可連接多個設(shè)備，而在邏輯上只允許連接一個設(shè)備。不適用于慢速設(shè)選備。多路型 DMAC適用于同時為多個慢速外設(shè)服務(wù)。即在物理上可連接多個設(shè)備，在邏輯上也允許這些設(shè)備同時工作。各設(shè)備以字節(jié)交叉方式通過DMAC進行數(shù)據(jù)傳送。3、中央處理器中央處理器主要包括計算機的運算方法

11、，利用二進制分別表示定點數(shù)和浮點數(shù)，繼而進行定點和浮點運算。算術(shù)邏輯運算單元（ ALU）的基本功能為加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、求補等操作。指令系統(tǒng)一般均包含算術(shù)運算型、邏輯運算型、數(shù)據(jù)傳送型、判定和控制型、輸入和輸出型等指令。 指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍。常見的指令格式有以下幾種。1、三地址指令：一般地址域中A1、 A2 分別確定第一、第二操作數(shù)地址 ,A3 確定結(jié)果地址。下一條指令的地址通常由程序計數(shù)器按順序給出。2、二地址指令：地址域中A1 確定第一操

12、作數(shù)地址，A2 同時確定第二操作數(shù)地址和結(jié)果地址。3、單地址指令：地址域中A 確定第一操作數(shù)地址。固定使用某個寄存器存放第二操作數(shù)和操作結(jié)果。因而在指令中隱含了它們的地址。4、零地址指令：在堆棧型計算機中，操作數(shù)一般存放在下推堆棧頂?shù)膬蓚€單元中，結(jié)果又放入棧頂，地址均被隱含，因而大多數(shù)指令只有操作碼而沒有地址域。根據(jù)指令內(nèi)容確定操作數(shù)地址的過程稱為尋址。一般的尋址方式有立即尋址，直接尋址， 間接尋址， 寄存器尋址，相對尋址等。一條指令實際上包括兩種信息即操作碼和地址碼。操作碼用來表示該指令所要完成的操作，如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送等。其長度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。地址碼用來描述該指令的操作

13、對象，它或者直接給出操作數(shù)，或者指出操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址（即寄存器名）。CPU的基本功能是取指令、分析指令和執(zhí)行指令。它必須具有控制程序的順序執(zhí)行（稱制）、產(chǎn)生完成每條指令所需的控制命令（稱操作控制）、對各種操作加以時間上的控指令控制（稱時間控制）、對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算（數(shù)據(jù)加工）以及處理中斷等功能。CPU由 CU ALU寄存器及中斷系統(tǒng)四大部分組成。寄存器分為用戶可見寄存器及控制和狀態(tài)寄存器。控制器三種時序控制方法：同步，異步，聯(lián)合控制方法。4、控制單元包括控制單元的功能和控制單元的設(shè)計，其中微操作命令包括取指周期、間址周期、執(zhí) 行周期和中斷周期?？刂茊卧脑O(shè)計又包括組合邏

14、輯設(shè)計和微程序設(shè)計?？刂茊卧撠煶绦虻牧鞒坦芾怼？刂茊卧钦麄€CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR 、指令譯碼器 ID 和操作控制器0C三個部件組成?？刂茊卧荂PU的一部分，計算機無論完成什么任務(wù)，都是在控制單元控制下完成的。CU向 CPU外部發(fā)出控制信號，以命令CPU與存儲器和 I/O 模塊交換數(shù)據(jù)，控制單元也向CPU內(nèi)部發(fā)送控制信號，以完成寄存器間數(shù)據(jù)傳送，使ALU完成指定的功能以及其他內(nèi)部操作。在微程序控制的計算機中，將由同時發(fā)出的控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令。所以微指令就是把同時發(fā)出的控制信號的有關(guān)信息匯集起來形成的。將一條指令分成若干條微指令， 按次序執(zhí)行就可以實現(xiàn)指令的

15、功能。若干條微指令可以構(gòu)成一個微程序，而一個微 程序就對應(yīng)了一條機器指令。因此， 一條機器指令的功能是若干條微指令組成的序列來實現(xiàn)的。簡言之， 一條機器指令所完成的操作分成若干條微指令來完成，由微指令進行解釋和執(zhí)行。微指令的編譯方法是決定微指令格式的主要因素。微指令格式大體分成兩類:水平型微指令和垂直型微指令。從指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一對應(yīng)關(guān)系上看，前者與內(nèi)存儲器有關(guān)，而后者與控制存儲器（它是微程序控制器的一部分。微程序控制器主要由控制存儲器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三部分組成。其中，微指令寄存器又分為微地址寄存器和微命令寄存器兩部分）有關(guān)。同時從一般指令的微程序執(zhí)行流

16、程圖可以看出。每個 CPU周期基本上就對應(yīng)于一條微指令。微程序設(shè)計是指將一條機器指令編寫成一個微程序，每一個微程序包含若干條微指令，每一條微指令對應(yīng)一個或幾個微操作命令，然后把這些微程序存到一個控制存儲器中，用尋 找用戶程序機器指令的方法來尋找每一個為程序中的微指令。這些微指令以二進制代碼形式表示， 每位代表一個控制信號，因此逐條執(zhí)行每一條微指令，也就相應(yīng)的完成了一條機器指令的全部操作。 微指令的編碼方式有直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼、混合編碼等。三、實際應(yīng)用自從 1945 年世界上第一臺電子計算機誕生以來，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，CPU的速度越來越快，體積越來越小，價格越來越低。計算機界

17、據(jù)此總結(jié)出了“摩爾法則”，該法則認為每 18 個月左右計算機性能就會提高一倍。越來越多的專家認識到，在傳統(tǒng)計算機的基礎(chǔ)上大幅度提高計算機的性能必將遇到難以逾越的障礙， 從基本原理上尋找計算機發(fā)展的突破口才是正確的道路。 很多專家探討利用生 物芯片、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片等來實現(xiàn)計算機發(fā)展的突破， 但也有很多專家把目光投向了最基本的 物理原理上， 因為過去幾百年， 物理學原理的應(yīng)用導(dǎo)致了一系列應(yīng)用技術(shù)的革命， 他們認為 未來光子、量子和分子計算機為代表的新技術(shù)將推動新一輪超級計算技術(shù)革命。四、心得體會計算機組成原理是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的必修的硬件課程之一。書本由整體到局部， 由簡入繁， 層層深入， 讓我們系統(tǒng)的學習了計算機的組成原理。 計算機組成原理是計算機專 業(yè)的基礎(chǔ)課。 當今計算機技術(shù)發(fā)展迅速， 但是基礎(chǔ)知識和理論卻是不變的， 只有把基礎(chǔ)知識 掌握牢固才能以不變應(yīng)萬變， 同時學完計算機組成原理這門課程， 通過介紹計算機的軟件和 硬件技術(shù)， 也就能夠讓我們對計算機有了一個