1、計算機(jī)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(jī)的基本組成與器控制單元的構(gòu)建方法。計算機(jī)組成原理是依據(jù)計算機(jī)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(jī)各部件的具體組成，以及它們之間的連接關(guān)系，實現(xiàn)機(jī)器指令級的各種功能和特性。一臺計算機(jī)的核心是CPU CPU勺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(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響機(jī)器的適用范圍。【關(guān)鍵詞】馮諾依曼型計算機(jī)，計算機(jī)的組成，指令系統(tǒng)，微指令1、 計算機(jī)組成原理課程綜述計算機(jī)組成原理是硬件系列課程中的核心課程，是計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)” 、“操作系統(tǒng)”、“計算機(jī)接口技術(shù)”等課程密切相關(guān)。它主要討論計算機(jī)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(jī)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(xué)。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(jī)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。2、 計算機(jī)組成原理主要內(nèi)容和基本原理1 、計算機(jī)的基本組成(一)馮 ?諾依曼計算機(jī)的特點1) 計算機(jī)有運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成

3、。2) 指令和數(shù)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(jìn)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(yùn)算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。6) 機(jī)器以運(yùn)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(yùn)算器完成。計算機(jī)的硬件框圖典型的馮？諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖1一f控制線反饋線>=>數(shù)底線圖2以存儲器為中心的計算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖11）運(yùn)算器用來完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，弁將運(yùn)算的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi)。2）存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程

4、序。3）控制器用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行以及處理運(yùn)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(jī)器能識別的信息形式。5）輸出設(shè)備可將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式。2、計算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（一）系統(tǒng)總線總線是計算機(jī)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(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類，計算機(jī)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(jìn)行傳送，只需一根數(shù)據(jù)線，線路成本低,適合遠(yuǎn)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(biāo)和終端設(shè)備等。串行傳輸中的行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成

5、弁行數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、發(fā)送部件中弁行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，稱為拆卸；接收部件中串 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。總線裁決：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(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機(jī)中全部信息，包括輸 入的原始數(shù)據(jù)、計算機(jī)程

6、序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲器中。它根據(jù)控制 器指定的位置存入和取出信息。有了存儲器，計算機(jī)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(dāng)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(jī)運(yùn)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勺接近程度，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），

7、屬于主機(jī)的組成部分；外存儲器又常稱為輔助存儲器（簡稱輔存），屬于外部設(shè)備。CPUf能像訪問內(nèi)存那樣，直接訪問外存，外存要與CPUK I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須通過內(nèi)存進(jìn)行。隨機(jī)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 NM械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CACH。 E缺點：元件數(shù)多、集成度低、運(yùn)行功耗大。2 ） 動態(tài)存儲單元（DRAM ）存貯原理：利用 MOST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

8、新 （ 再生 ） ：為及時補(bǔ)充漏掉的電荷以避免存儲的信息丟失，必須定時給柵極電容補(bǔ)充電荷的操作。刷新時間：定期進(jìn)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(yuǎn)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SRAMft,所以在計算機(jī)中，DRAMt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(fù)責(zé)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(jī)和設(shè)備通信。I/O 接口的分類

9、：（ 1） 按數(shù)據(jù)傳送方式分，有并行接口和串行接口；（ 2） 可編程接口和不可編程接口；（ 3） 按通用性來分，有通用接口和專用接口。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(jìn)行編號，成為一個獨立的 I/O 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(jìn) 行編號。計算機(jī)外部設(shè)備：在計算機(jī)系統(tǒng)中除CPUW內(nèi)存儲外所有的設(shè)備和裝置稱為計算機(jī)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(jī)輸入和輸出信息的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息有三種控制方式：程序查詢方式，程序中斷方式，DM防式。程序

10、查詢方式是由 CPUS過程序不斷的查詢I/O設(shè)備是否做好準(zhǔn)備，從而控制其與主機(jī)交換信息。 程序中斷方式不查詢設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒，繼續(xù)執(zhí)行自身程序，只是當(dāng) I/o 設(shè)備準(zhǔn) 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CPg工作效率。在DMAT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。DMA空制器：即采用 DMAT式的外設(shè)與系統(tǒng)總線之間的接口電路。其種類包括：選擇型DMACE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)備。多路型DMACS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

11、設(shè)備以字節(jié)交叉方式通過DMACS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(jī)的運(yùn)算方法，利用二進(jìn)制分別表示定點數(shù)和浮點數(shù)，繼而進(jìn)行定點和浮點運(yùn)算。算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU的基本功能為加、減、乘、除四則運(yùn)算，與、 或、非、異或等邏輯操作，以及移位、求補(bǔ)等操作。指令系統(tǒng)一般均包含算術(shù)運(yùn)算型、邏輯運(yùn)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(jī)性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機(jī)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(jī)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

12、。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(jī)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

13、、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 指令控 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制（稱時間控制） 、對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)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

14、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。控制單元的設(shè)計又包括組合邏輯設(shè)計和微程序設(shè)計。控制單元負(fù)責(zé)程序的流程管理。控制單元是整個CPU勺指揮控制中心，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。控制單元是 CPU的一部分，計算機(jī)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(jī)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

15、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(jī)器指令。因此， 一條機(jī)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(jī)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(jìn)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

16、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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)誕生以來，計算機(jī)

17、技術(shù)迅猛發(fā)展，CPU勺速度越來越快，體積越來越小，價格越來越低。計算機(jī)界據(jù)此總結(jié)出了“摩爾法則”，該法則認(rèn)為每 18 個月左右計算機(jī)性能就會提高一倍。逾越的越來越多的專家認(rèn)識到，在傳統(tǒng)計算機(jī)的基礎(chǔ)上大幅度提高計算機(jī)的性能必將遇到難以障礙， 從基本原理上尋找計算機(jī)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(jī)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(xué)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(rèn)為未來光子、量子和分子計算機(jī)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(jī)組成原理是計算機(jī)科學(xué)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(xué)習(xí)了計算機(jī)的組成原理。計算機(jī)組成原理是計算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課。 當(dāng)今計算機(jī)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(xué)完計算機(jī)組成原理這門課程，通過介紹計算機(jī)的軟件和硬件技術(shù)，也就能夠讓我們對計算機(jī)有了一個更加深入