计算机组成原理课程综述

合肥学院 计算机组成原理 综述论文 题 目 计算机组成原理综述 系 部 计算机科学与技术系 专 业 网络工程 班 级 网工（2）班 学生姓名 邓传君 指导教师 张向东     2014 年 12 月 24 日             计算机组成原理课程综述 内容摘要： 计算机组成原理(Computer Organization)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，这点上说计算机组成原理是计算机体系结构的逻辑实现。 关键词：存储、指令、CPU、控制器、微命令 一、计算机组成原理课程综述  计算机组成原理是计算机应用和计算机软件专业以及其他相关专业必修的专业基础课，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。教学实践证明，通过对该课程的学习，对于建立整机概念，研究各功能部件的相互连接与相互作用，进行各功能部件的逻辑设计，都有着重要的意义。 组成原理是计算机类专业的一门主干必修课程，它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、计算机组成原理内容和基本原理  下面是我对这门课程知识点的理解：  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。  典型的冯·诺依曼机是以运算器为中心的，现代的计算机已转化为以存储器为中心：  1. 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。 从上面我们大概的了解了计算机的基本的组成和原理。下面来具体介绍下五大部件，不过在介绍五大部件前我们先介绍一下总线，它是连接五大部件的传输线。 1．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。  2.存储容量的扩展  A.位扩展：增加存储字长。  B.字扩展：增加存储器的数量。  输入输出系统  1.I/O系统功能：为数据传输操作选择I/O设备，连接I/O设备与主机，完成数据交换  2.I/O系统组成  软件：可由系统软件（OS）或应用软件承担；输入输出过程控制：发送读写指令，检查设备状态等；用户界面。  硬件：I/O接口，主机与外设之间通信：速度匹配、同步、指令、状态、差错控制；数据缓存。  3.I/O与主机信息传送的控制方式  程序查询方式：由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。  程序中断方式：CPU在启动I/O设备后，不查询设备是否已准备就绪，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才予以响应。  DMA方式：主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与I/O设备交换信息时，无须调用中断服务程序。若出现DMA和CPU同时访问主存，CPU总是将总线占有权让给DMA，通常把DMA的这种占有称为窃取或挪用。  指令系统  指一台计算机中所有机器指令的集合，是表征计算机性能的重要因素。  1. 寻址方式  A. 立即寻址：操作数本身设在指令字内。  B. 直接寻址：指令字中的形式地址就是操作数的真实地址。 C. 隐含寻址：指令字中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中。  D. 间接寻址：指令字中的形式地址不直接指出操作数的地址，而是指出操作数有效地址所在的存储单元地址。  E. 寄存器寻址：地址码字段直接指出寄存器编号，操作数在寄存器内。  F. 寄存器间接寻址：寄存器中存放操作数所在主存单元地址。  G. 基址寻址：操作数有效地址等于指令字中的形式地址和基址寄存器中的内容相加。  H. 变址寻址：操作数有效地址等于指令字中的形式地址与变址寄存器的内容相加。  I. 相对寻址：有效地址是将程序计数器的内容与指令字中的形式地址相加而成。 3.CPU  1.CPU基本功能  指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制；控制器： PC、IR、ID  操作控制：管理并产生每条指令的操作控制信号，并把操作控制信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。   时间控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。 数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理。   2．控制器的主要职能   （1） 取指令 （2） 分析指令 （3） 执行指令   （4） 控制程序和数据的输入与结果的输出 （5） 对异常情况和某些请求的处理    3．指令周期  指取出并执行一条指令的时间。由若干个CPU周期组成。 CPU周期： 通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。  时钟周期：是CPU处理操作的最基本单位。   4．微命令   指控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令是构成控制信号序列的最小单位。  微操作 ：执行部件接受微命令后所进行的操作，是计算机硬件结构中最基本的操作。  微周期：从控存中读取一条微指令并执行相应的一步操作所需的时间。  微指令：由每个微周期的操作所需的控制命令构成一条微指令。微指令包含了若干微命令信息。  微程序;即一系列微指令的有序集合，可以控制实现一条机器指令。   5．控制方式   同步控制方式： 以部件中最长的操作时间作为统一的时间间隔，系统中各部件的微操作都由这个统一的时间间隔来同步。    异步控制方式： 系统中没有统一的时间标准，各部件按本身的操作有各自自己的时钟信号，各个微操作的进行是采用应答方式进行的。   联合控制方式： 部件内部采用同步控制方式，各部件之间采用异步方式。  三、实际应用  以通道方式 I/O 通道为例： 通道方式 I/O 通道是计算机系统中代替 CPU 管理控制外设的独立部件,是一 种能执行有限 I/O 指令集合——通道命令的 I/O 处理机。在通道控制方式下,一个主机可以连接几个通道.每个通道又可连接多台 I/O 设备,这些设备可具有不同速度,可以是不同种类.这种输入输出系统增强了主机与通道操作的并行能力以及各通道之间,同一通道的各设备之间的并行操作能力.同时也为用户提供了增减外围 设备的灵活性。 采用通道方式组织输入输出系统,多使用主机—通道—设备控制 器— I/0 设备四级连接方式.通道通过执行通道程序实施对 I/O 系统的统一管理和控制,因此,它是完成输入输出操作的主要部件.在 CPU 启动通道后,通道自动地去内存取出通道指令并执行指令。直到数据 交换过程结束向 CPU 发出中断请求,进行通道结束处理工作。 I/O 通道的种类: 根据多台设备共享通道的不同情况,可将通道分为三类: (1)字节多路通道(低速,分时)字节多路通道(multiplexor channel)是一种简单的共享通道, 在时间分割的基础上,服务于多台低速和中速面向字符的外围设备。字节多路通道包括多个子通道,每个子通道服务于一个设备控制 器,可以独立地执行通直指令。每个子通道都需要有字符缓冲寄存器,I/O 请求标志/控制寄存器,主存地址寄存器和字节计数寄存器.而 所有子通道的控制部分是公共的,由所有子通道所共享。通常,每个通 道的有关指令和参量存放在主存固定单元中.当通道在逻辑上与某一 设备连通时,将这些指令和参量取出来,送入公共控制部分的寄存器中使用。字节多路通道要求每种设备分时占用一个很短的时间片,不同的设备在各自分得的时间片内与通道建立传输连接,实现数据的传送。 (2)选择通道(高速,独占)选择通道每次只能从所连接的设备中选择一台 I/O 设备的通道程 序,此刻该通道程序独占了整个通道。当它与主存交换完数据后,才能 转去执行另一个设备的通道程序,为另一台设备服务。因此,连接在选 择通道上的若干设备,只能依次使用通道与主存传送数据.数据传送 是以成组(数据块)方式进行,每次传送一个数据块,因此,传送速率很高。选择通道多适合于快速设备(磁盘),这些设备相邻字之间的传送 空闲时间极短。 (3)数组多路通道(综合) 数组多路通道把字节多路通道和选择通道的特点结合起来.它有 多个子通道,既可以执行多路通道程序,像字节多路通道那样,所有子通道分时共享总通道；又可以用选择通道那样的方式传送数据. 数组多路通道具有多路并行操作能力,又具有很高的数据传送速率,赢得了吞吐率的较大提高。它的缺点是增加了控制的复杂性。 四、 学习这门课程，首先接触的是关于计算机系统的概论，我们知道了计算机是由硬件和软件组成的，硬件又包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备等；同时软件也是计算机系统结构的重要组成部分。计算机系统是一个由硬件和软件组成的多层次结构，它通常由微程序级，一般程序级，操作系统级，汇编语言级，高级语言级组成，每一级都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。随着学习的越来越深入，老师也教我们学习了运算方法和相关的运算器，对于这部分的学习，我感到很吃力，对于运算方面的事情很不在行的我来说，学习运算相关的知识是很艰难的，我可能会比其他的同学要多听好几遍才能理解的，好在老师很有耐心，一遍一遍的给我们讲解，直到我们弄明白为止。因此特别感谢张向东老师对我们的教导，虽然老师偶尔会有点凶，但我们都明白老师是为了我们好，为了让我们多学点知识，也特别感谢老师在带给我们知识的同时，也带给了我们很多的生活常识。 通过对这门课程的学习，让我更进一步地接触计算机，对它从内到外有了一定的初步了解。说实话，以前我对计算机的认识只是表面的那些东西，可现在不同了，它使我进一步地了解了计算机的各个组成部分及其工作原理，对于我们后续课程的学习无疑也具有积极的意义。对于这段时间的学习有成长的快乐，有丰收的喜悦，有不懂的遗憾，还有即将结束这门课程的不舍。这学期的学习真的给我太多的感受，这学期的学习让我一生都受用无穷。将成为我人生旅途中最宝贵的收获。 五、结语 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。这种层次化的让我体会到了，凡事要从小做起，无数的‘小’便成就了‘大’。在学习过程中也是碰到了很多问题，主要就和老师说的一样，课后没有看书，导致一些知识点没有掌握完全，概念问题有很多细节不懂。这些都要尽量弥补，才能让这门课的学习达到目的。 六、参考文献  [1]唐朔飞，《计算机组成原理》，高等教育出版社，2008.   科技杂志周刊. [2]白中英,等.计算机组成原理.3版.北京：科学出版社，2002.