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计算机组成原理课程综述类论文—


合肥学院

计算机组成原理 综述论文

题 系 专 班

目 部 业 级

计算机组成原理课程综述 计算机科学与技术系

学生姓名 指导教师
张向东

2016 年

6



1



计算机组成原理课程综述
内容摘要:
计算机组成原理是计算机专业一门重要的主干课程, 以数字逻辑为基础的课程。 同时也 是计算机结构、 操作系统等专业课的学习基础。 课程任务是使学生掌握计算机组成部件的工 作原理、逻辑实现、设计方法及将各部件接连成整机的方法,建立 CPU 级和硬件系统级的整 机概念,培养学生对计算机硬件系统的分析、开发与设计能力。同时该课程也是学好计算机 硬件系列课程的重要基础。所以,我们需要了解计算机的基本概念、计算机硬件系统以及软 件系统的组成及其基本功能。 学习计算机的各个基本组成部件及控制单元的工作原理, 掌握 有关软件、硬件的基本知识,尤其是各基本组成部件有机连接构成整机的方法。

关键词:计算机系统 硬件结构 软件结构 控制单元 一、计算机组成原理课程综述
顾名思义计算机组成原理就是介绍计算机的组成,冯-诺依曼计算机由五大部件组成, 分别是运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。现今绝大部门都是此类型计算机。 通过对这么课的学习对计算机的组成有个整体的概念。 计算机组成原理从内容上看一、 虽然 计算机的五大部件自成体系,较为独立,但是从整体来看,还是具有明显的整体性;二、某 些设计思想可应用于不同的部件,具有相通性,例如并行性思想。

二、课程主要内容和基本原理 (一)计算机系统
计算机系统是由“硬件”和“软件”两大部分组成。所谓硬件是指计算机的实体部分, 它由看得见摸的着的各种电子元器件,各类光、电、机设备的实物组成,如主机、外部设备 等。所谓软件,它看不见摸不着,由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。通常把 这些程序寄寓于各类媒体(如 RAM、ROM、磁带、磁盘、光盘、甚至纸袋),他们通常存放 在计算机的主存或辅存内。

(二)系统总线
计算机系统的五大部件之间的互连方式有两种, 一种是各部件之间使用单独的连线, 称

为分散连接;另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上,称为总线连接。 总线是连接多个部件的信息传输线,是各部件共享的传输介质。当多个部件相连时,如 果出现两个或两个以上部件同时向总线发送信息,势必导致信号冲突,传输无效。因此,在 某一时刻, 只允许有一个部件向总线发送信息, 而多个部件可以同时从总线上接收相同的信 息。 总线分为片内总线、系统总线和通信总线。片内总线是指芯片内部的总线;系统总线又 可分为三类:数据总线、地址总线和控制总线。 总线的周期可分为四个阶段:申请分配阶段、寻址阶段、传数阶段、结束阶段。 总线与计算机所有的器件数据传输都离不开关系,是计算机工作的基础。

(三)存储器
存储器按存储介质分类:半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器。按 存取方式分类: 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、串行访问存储器。按在计算机中的作用 分类:主存储器、辅助存储器。按在计算机系统中的作用分类:主存储器 、辅助存储器 、 高速缓冲存储器 Cache 、控制存储器。其中静态 RAM 是用触发器工作原理存储信息,因此 即使信息读出后,他仍然保持其原状,不需要再生,但是电源掉电时,原存储信息丢失。动 态 RAM 是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。但是电容上的电荷只能维持 1~2ms,因此即使 电源不掉电,信息也会因此自动消失,为此,必须在 2ms 内对其所有存储单元恢复一次原状 态,这个过程称为再生或刷新。 由于单个存储芯片的容量总是有限的, 很难满足实际的需要, 因此要进行位扩展和字扩 展。存储芯片的容量不同,其地址线也不同,通常将 CPU 地址线的低位与存储芯片的低址线 相连。 同样, CPU 的数据线数与存储芯片的数据线也不一定相等。 此时, 必须对存储芯片扩位, 使其位数与 CPU 的数据线相等。 高速缓冲存储器 cache 主要解决主存与 CPU 速度不匹配的问题。 主存与 cache 地址映射 关系有:直接相联映射、全相联映射、 组相联映射。

(四)输入输出系统

I/O 设备与主机的联系方式:统一编址和不统一编址。统一编址就是将 I/O 地址看做是 存储器地址的一部分。 不统一编址是指 I/O 地址和存储器地址是分开的, 所有对 I/O 设备的 访问必须有专用的 I/O 指令。传送方式有串行传送和并行传送。I/O 设备与主机信息传送的 控制方式有三种:程序查询方式(主机与设备是串行工作的),程序中断方式(程序与主机 是并行工作的)和 DMA 方式(主机与设备是并行工作的)。DMA 方式工作:1、中断 cpu 访 存,2、挪用周期,3、与 CPU 交互访存。输出设备有打印机,显示器等。

(五)计算方法
计算机的运行需要有运算的参与, 参与运算的数有无符号类和有符号类。 掌握二进制原 码和补码的加减乘除运算。

(六)指令系统
指令由操作码和地址码两部分组成,操作码用来指明该指令所要完成的操作,例如加 减,传送,移位,转移等;其位数反映了操作的种类也即机器允许的指令条数。地址码用来 指出该指令的源操作数的地址(一个或两个)、结果的地址以及下一条指令的地址。指令寻 址分为顺序寻址和跳跃寻址两种。其寻址方式分为 10 种,分别是:立即寻址,直接寻址, 隐含寻址,间接寻址,寄存器寻址,寄存器间接寻址,基址寻址,变址寻址,相对寻址,堆 栈寻址。指令格式有零地址,一地址,二地址,三地址等。需能分析指令格式所含的意义。

(七)CPU 的结构与功能
CPU 实质包括运算器和控制器两大部分, 基本功能是取指令, 分析指令, 执行指令。 CPU 的寄存器有用户可见寄存器:通用寄存器,数据寄存器,地址寄存器,条件码寄存器。控制 和状态寄存器:存储器地址寄存器,存储器数据寄存器,程序寄存器,指令寄存器。指令流 水处理减少了运行时间, 提高机器效率。 中断系统在前面章节介绍过, 此处在简单补充一些, 引起中断的有很多种因素:人为设置的中断,程序性事故,硬件故障,I/O 设备,外部事件。 中断判优可用硬件实现,也可用软件实现。中断服务程序入口地址的寻找方法:硬件向量方 法和软件查询法。中断响应的过程:响应中断的条件,响应中断的时间,中断隐指令和关中 断。 其中中断隐指令就是机器指令系统中没有的指令, 他是 CPU 在中断周期内由硬件自动完 成的一条指令。在中断响应之前需要对现场进行保护,中断结束之后需要对现场进行恢复。

中断屏蔽技术主要用于多级中断,屏蔽技术可以改变优先级。

(八)控制单元的功能
控制单元具有发出各种微操作(即控制信号)序列的功能。取指周期可以归纳为以下 几个操作,1.PC->MAR 2.1->R 3.M(MAR)->MDR 4.MDR->IR 5.OP(IR)->CU 6(PC)+1->PC。间 址周期:1.AD(IR)->MAR 2.1->R 3.M(MAR)->MDR 4.MDR->AD(IR).执行周期中不同执行周期 的微操作是不同的:1、非访存类指令 2、访存指令 3、转移类指令。非访存类指令:1、清 除累加器指令 CLA----0->ACC;2、累加器取反指令 ACC->ACC;3、算数右移一位指令 SHR L(ACC)->R(ACC),ACC0->ACC0;4、循环左移一位指令 CSL R(ACC)->L(ACC) ACCo->ACCn;5、 停机指令 0->G。访存指令:这类指令在执行阶段都需要访存存储器。(1)加法指令 ADD X (2)存数指令 STA X (3)取值指令 LDA X 。转移类指令:(1)无条件转移指令 JMP X (2)条件转移指令 BAN X。在执行周期结束时刻,cpu 要查询是否有请求中断的事件发生, 如果有则进入中断周期。在中断周期,由中断隐指令自动完成保护断点、寻找中断服务程序 入口地址以及硬件关中断的操作。控制信号的外特性:1、输入信号:时钟,指令寄存器, 标志,来自系统总线的控制信号。2、输出信号:CPU 内的控制信号,送至系统总线的信号。 常见的控制方式有同步控制,异步控制,联合控制和人工控制。

(九)控制单元的设计
组合逻辑的设计又称硬布线控制器, 由门电路和触发器构成的复杂树形网络形成的逻辑 电路。安排微操作节拍时注意以下三点:1、有些微操作的次序是不容改变的,故安排微操 作的节拍时必须注意微操作的先后顺序。2、凡是控制对象不同的微操作,若能在一个节拍 内执行,应尽可能安排在同一个节拍内,以节省时间。3、如果有些微操作所占的时间不长, 应该将它们安排在一个节拍内完成,并且允许这些微操作有先后次序。微程序的设计:采用 微程序设计方法设计控制单元的过程就是编写每一条机器指令的微程序, 他是按执行每一条 机器指令所需要的微操作命令的先后顺序而编写的,因此,一条机器指令对应一个微程序。 微指令的基本格式共分为两个字段,一个为操作控制字段,该字段发出各种控制信号;另一 个为顺序控制字段,它可以指出下条微指令的地址(简称下地址),以控制微指令序列的执 行顺序。 工作原理: 取指阶段: 取微指令---产生微操作命令---形成下一条微指令的地址---

取下一条微指令---产生微操作命令---形成下一条微指令的地址。执行阶段:取数指令微程 序首地址的形成 --- 取微指令 --- 产生微操作命令 --- 形成下一条微指令的地址 --- 取微命 令.........循环。微指令的编码方式:直接编码方式,字段直接编码方式,字段间接编码 方式,混合编码。后序微指令地址的形成方式:断定方式,根据机器指令的操作码形成,增 量计数器法,分支转移,通过测试网络形成,由硬件产生微程序入口地址。微指令格式:水 平型微指令,垂直型微指令。

三、实际应用
自 ENIAC 问世后将近 30 余年的时间里, 计算机一直被作为大学和研究机构的娇贵设备。 在 20 世纪 70 年代中后期,大规模集成工艺日趋成熟,微芯片上集成的晶体管数一直按每 3 年翻两番的 Moore 定律增长, 微处理器的性能也按此几何级数提高, 而价格也以同样的几何 级数下降,以至于以前需花数百万美元的机器(如 80M 数千美元(而此类机器的性能可达 200M FLOPS 的 CRAY)变得价值仅为

FLOPS),至于对性能不高的微处理器芯片而言,仅

花数美元就可购到。正因为如此,才使得计算机走出实验室而渗透到各个领域,乃至走进普 通百姓的家中, 也使得计算机的应用范围从科学计算, 数据处理等传统领域扩展到办公自动 化,多媒体,电子商务,虚拟工厂,远程教育等,遍及社会,政治,经济,军事,科技以及 个人文化生活和家庭生活的各个角落。

四、心得体会
计算机科学与技术的发展日新月异, 但是都离不开计算机组成原理, 这门课不要死记硬 背,重在理解,工科类的学习不是死记硬背就会的,还是要理解记忆才会牢靠。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。 五、结语 通过对计算机组成原理这门课程的学习, 使我对计算机软件和硬件技术有了一个更深入 的了解,包括各种计算机的基本原理以及计算机的艰难发展历程,这门课程注重理论知识, 理论知识是一切技术的最基本,也是我们必须要掌握好的。在这次课程综述论文过程中,我

到图书馆查阅资料,上网查资料,让我深刻认识到计算机组成原理的重要性,也了解了许多 书上没有的知识,受益匪浅。

六、参考文献
1、唐朔飞 《计算机组成原理》 高等教育出版社 第2版


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