關(guān)于計(jì)算機(jī)組成原理的課程論文(2)
計(jì)算機(jī)組成原理的課程論文篇三
淺談?dòng)?jì)算機(jī)組成原理課程
【摘要】本論文主要論述了馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本組成與器控制單元的構(gòu)建方法。計(jì)算機(jī)組成原理是依據(jù)計(jì)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(jì)計(jì)算機(jī)各部件的具體組成，以及它們之間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級的各種功能和特性。一臺計(jì)算機(jī)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(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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的組成，指令系統(tǒng)，微指令
一、計(jì)算機(jī)組成原理課程綜述
計(jì)算機(jī)組成原理是硬件系列課程中的核心課程，是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“操作系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”等課程密切相關(guān)。它主要討論計(jì)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(jì)方法。以層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來敘述計(jì)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(jì)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(shí)例加以說明。
二、計(jì)算機(jī)組成原理主要內(nèi)容和基本原理
1、計(jì)算機(jī)的基本組成
(一)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)
1)計(jì)算機(jī)有運(yùn)算器、存儲(chǔ)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)據(jù)以同等地位存放于存儲(chǔ)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(chǔ)器中的位置。
5)指令在存儲(chǔ)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(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送通過運(yùn)算器完成。
(二)計(jì)算機(jī)的硬件框圖
1)運(yùn)算器用來完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi)。
2)存儲(chǔ)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、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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
(一)系統(tǒng)總線
總線是計(jì)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(jì)算機(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類，計(jì)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(shí)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(gè)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(shí)問題：如何來定義總線事務(wù)中的每一步何時(shí)開始、何時(shí)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(chǔ)器
存儲(chǔ)器是計(jì)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(jì)算機(jī)中全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)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(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)和輔助存儲(chǔ)器(外存),也有分為外部存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。
存儲(chǔ)器的主要功能是存儲(chǔ)程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中高速、自動(dòng)地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。
按照與CPU的接近程度，存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)存與外存。內(nèi)存儲(chǔ)器又常稱為主存儲(chǔ)器(簡稱主存)，屬于主機(jī)的組成部分;外存儲(chǔ)器又常稱為輔助存儲(chǔ)器(簡稱輔存)，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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須通過內(nèi)存進(jìn)行。
隨機(jī)存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)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(chǔ)單元的位置無關(guān)的存儲(chǔ)器。
1)靜態(tài)存儲(chǔ)單元(SRAM)
存儲(chǔ)原理：由觸發(fā)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
單元結(jié)構(gòu)：六管NMOS或OS構(gòu)成。
優(yōu)點(diǎn)：速度快、使用簡單、不需刷新、靜態(tài)功耗極低;常用作CACHE。
缺點(diǎn)：元件數(shù)多、集成度低、運(yùn)行功耗大。
2)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元(DRAM)
存貯原理：利用MOS管柵極電容可以存儲(chǔ)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(shí)補(bǔ)充漏掉的電荷以避免存儲(chǔ)的信息丟失，必須定時(shí)給柵極電容補(bǔ)充電荷的操作。
刷新時(shí)間：定期進(jìn)行刷新操作的時(shí)間。該時(shí)間必須小于柵極電容自然保持信息的時(shí)間(小于2MS)。
優(yōu)點(diǎn)：集成度遠(yuǎn)高于SRAM、功耗低，價(jià)格也低。
缺點(diǎn)：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(jì)算機(jī)中，DRAM常用于作主存儲(chǔ)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(gè)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(cuò)誤或狀態(tài)檢測，(3)控制和定時(shí)，(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：(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(dú)立編址方式：對所有的I/O端口單獨(dú)進(jìn)行編號，成為一個(gè)獨(dú)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(jì)算機(jī)外部設(shè)備：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除CPU和內(nèi)存儲(chǔ)外所有的設(shè)備和裝置稱為計(jì)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(jì)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，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(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CPU的工作效率。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(shí)，無需調(diào)用中斷服務(wù)程序。
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：①選擇型DMAC：在物理上可連接多個(gè)設(shè)備，而在邏輯上只允許連接一個(gè)設(shè)備。不適用于慢速設(shè)備。②多路型DMAC：適用于同時(shí)為多個(gè)慢速外設(shè)服務(wù)。即在物理上可連接多個(gè)設(shè)備，在邏輯上也允許這些設(shè)備同時(shí)工作。各設(shè)備以字節(jié)交叉方式通過DMAC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
3、中央處理器
中央處理器主要包括計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法，利用二進(jìn)制分別表示定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)，繼而進(jìn)行定點(diǎn)和浮點(diǎn)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(jì)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。下一條指令的地址通常由程序計(jì)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(shí)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(gè)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(jì)算機(jī)中，操作數(shù)一般存放在下推堆棧頂?shù)膬蓚€(gè)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(shí)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對象，它或者直接給出操作數(shù)，或者指出操作數(shù)的存儲(chǔ)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(shí)間上的控制(稱時(shí)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(shí)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(jì)，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。控制單元的設(shè)計(jì)又包括組合邏輯設(shè)計(jì)和微程序設(shè)計(jì)。
控制單元負(fù)責(zé)程序的流程管理?？刂茊卧钦麄€(gè)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(gè)部件組成?？刂茊卧荂PU的一部分，計(jì)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外部發(fā)出控制信號，以命令CPU與存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)中，將由同時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)指令的功能。若干條微指令可以構(gòu)成一個(gè)微程序，而一個(gè)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(shí)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(chǔ)器有關(guān)，而后者與控制存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)從一般指令的微程序執(zhí)行流程圖可以看出。每個(gè)CPU周期基本上就對應(yīng)于一條微指令。
微程序設(shè)計(jì)是指將一條機(jī)器指令編寫成一個(gè)微程序，每一個(gè)微程序包含若干條微指令，每一條微指令對應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)微操作命令，然后把這些微程序存到一個(gè)控制存儲(chǔ)器中，用尋找用戶程序機(jī)器指令的方法來尋找每一個(gè)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(gè)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(shí)際應(yīng)用
自從1945年世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)誕生以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，CPU的速度越來越快，體積越來越小，價(jià)格越來越低。計(jì)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(gè)月左右計(jì)算機(jī)性能就會(huì)提高一倍。
越來越多的專家認(rèn)識到，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上大幅度提高計(jì)算機(jī)的性能必將遇到難以逾越的障礙，從基本原理上尋找計(jì)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(shí)現(xiàn)計(jì)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?yàn)檫^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(jì)算機(jī)為代表的新技術(shù)將推動(dòng)新一輪超級計(jì)算技術(shù)革命。
計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)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(jì)算機(jī)的組成原理。計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課。當(dāng)今計(jì)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(shí)學(xué)完計(jì)算機(jī)組成原理這門課程，通過介紹計(jì)算機(jī)的軟件和硬件技術(shù)，也就能夠讓我們對計(jì)算機(jī)有了一個(gè)更加深入和專業(yè)的了解。這門課對于使我們了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分及其工作原理具有重要作用，對于我們后續(xù)課程的學(xué)習(xí)無疑也具有重要的意義。
五、結(jié)語
通過對計(jì)算機(jī)組成原理這門課程的學(xué)習(xí)，使我了解了計(jì)算機(jī)各部件的組成原理，工作機(jī)制以及部件之間的相互關(guān)系;教授了我加強(qiáng)硬件分析和設(shè)計(jì)的基本技能和方法，提高硬件方面專業(yè)素質(zhì)和發(fā)展?jié)摿?培養(yǎng)和提高計(jì)算思維能力。同時(shí)，我們不能局限于現(xiàn)今所學(xué)的的知識，要跟上時(shí)代的步伐，時(shí)時(shí)刻刻關(guān)注計(jì)算機(jī)方面的發(fā)展，這樣才能為以后的工作學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
六、參考文獻(xiàn)
唐塑飛.計(jì)算機(jī)組成原理.北京：高等教育出版社，2008.1—2版
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