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1、计算机组成原理综述内容摘要计算机从产生到今天不过短短的60多年的时间。但它已经深入到人类生活的每一个角落，现在人类的生活如果离开了计算机是难以想象的。个人计算机（PC）已经是我们日常办公和娱乐的工具。计算机科学与技术也成为了很热门的专业，对于一个计算机科学与技术专业的学生来说，计算机组成原理的学习是至关重要的，作为计算机科学与技术专业的基础课程，这门课会告诉我们计算机的基本组成及其主要部件的工作原理。通过这门课程的学习可以让我们建立计算机系统的整机概念，理解软硬件的关系和逻辑的等价性；了解计算机各部件的组成原理，工作机制以及部件之间的相互关系；加强硬件分析和设计的基本技能和方法，提高硬件方面专
2、业素质和发展潜力；培养和提高计算思维能力。本文从计算机组成原理课程的各个方面对计算机组成原理的内容做了详细的解释。一、计算机组成原理课程综述计算机组成原理是计算机科学与技术专业的基础课程之一，它主要告诉我们计算机单系统组成结构，计算机各组成部件内部的运行机制以及相关的基本理论，硬件分析和设计的基本技能和方法。二、计算机组成原理的主要内容根据冯诺依曼机的特点我们知道：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
3、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
4、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。总线概念：总线是将计算机各个部件连接在一起的一组公共信息传输线。分类：片内总线：指芯片内部总线。系统总线：数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线（单向传输）通信总线：串行通信(远距离传输)并行通信（近距离传输）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
5、、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。3.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
6、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
7、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
8、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。CPU1.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
9、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
10、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标准，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。心得体会计算机组成原理是计算机专业本科生必修的硬件课程中重要核心课程之一。基本要求是使我们掌握计算机常用的逻辑器件、部件的原理、参数及使用方法，学懂简单、完备的单台计算机的基本组成原理，学习计算机设计中的入门性知
11、识，掌握维护、使用计算机的技能。 课程主要内容：常用的组合逻辑器件，如译码器、数据选择器、编码器、alu原理；常用的同步时序电路，如寄存器、移位寄存器、计数器的原理、参数及使用方法；可编程逻辑阵列：rom，pla，pal及门阵列的原理与使用。数字化编码，数制及数制转换，数据表示，检错纠错码；数据的算术与逻辑运算，运算器的功能、组成与设计；教学机的运算器实例。计算机指令系统综述，指令格式与寻址方式；教学计算机的指令系统与汇编语言程序设计；控制器的功能、组成与设计，教学机的控制器实例。多级结构的存储系统综述，主存储器的组成与设计，教学机的内存储器实例，cache存储器的运行原理，虚拟存储器的概念与
12、实现，磁盘设备的组成与运行原理，磁盘阵列技术；光盘机的组成与运行原理，磁带机的组成与运行原理。计算机输入/输出设备与输入/输出系统综述，显示器设备，针式打印机设备，激光印字机设备；计算机总线的功能与组成，输入/输出系统的功能与组成；教学机的总线与输入/输出系统实例。几种常用的输入/输出方式，中断与dma的请求、响应和处理。 计算机组成原理是计算机专业的基础课。这门课对于使我们了解现代计算机的各个组成部分及其工作原理具有重要作用，对于我们后续课程的学习无疑也具有积极的意义。结语对于计算机组成原理的知识整理，我深刻了解到计算机组成原理在计算机学习中的重要性，加深了对计算机组成原理的认识和了解。了解到了计算机组成原理在嵌入式方向中的基础地位。另一方面，通过知识整理让我弥补了上课时很多没听懂的地方，收到的极大的收获。我相信这次的学习会对我以后的学习和工作产生非常大的影响力。参考文献1计算机组成原理【中】唐朔飞 第二版 高等教育出版社