计算机组成原理课程综述论文.docx

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：①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②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。