计算机组成原理课程论文_计算机组成原理论文
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《计算机组成原理》课程论文
【内容摘要】： 本论文主要在课程的学习上作一些讨论。该课程主要介绍计算机硬件的结构与基本原理和计算机系统的实现方法。课程主要研究CPU、主存储器、I/0接口和输入/输出以及总线的结构和功能。使学生建立计算机系统的概念，深入了解计算机的工作原理，掌握计算机组织与实现的技术和方法，以及计算机系统分析和系统设计的方法，从而为计算机专业其他专业课的学习打下坚实的基础。
【关键词】： 课程概述、计算机系统、CPU、控制单元
【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。组成原理是计算机类专业的一门主干必修课程，主要内容有：（1）对计算机的发展、应用和特性作的概述，并简单介绍了计算机系统的硬件、软件及计算机系统的层次结构；（2）系统总线，介绍了三种总线结构及接口的概念，总线控制的三种方式和通信的两种方式；（3）存储系统，主要介绍半导体存储器工作原理、寻址方式、与CPU的互连的方法，以及存储系统的多级结构；（4）输入输出系统，介绍了计算机系统中主机与外部设备之间的信息交换方式，重点介绍中断处理方式以及DMA方式；（5）运算方法和运算器，介绍数值数据和非数值数据的表示方法，定点数和浮点数的四则运算、逻辑运算及运算器的组成和工作原理；（6）指令系统，介绍指令系统的发展与性能要求、指令格式的分析以及指令和数据的寻址方式；（7）CPU的结构和功能，CPU控制机器完成一条指令的全过程，中断技术在提高整机系统效能方面的作用（8）组合逻辑控制器、微程序控制器的设计原理和设计方法、指令周期的概念及时序产生器的原理及其控制方式。
【正文】：
（一）计算机概述
计算机系统由硬件和软件两大部分组成，它们共同决定了计算机性能的好坏。计算机系统的层次结构经过了多次的发展由最初的一级层次结构发展到了如今的多层次结构。
典型的计算机组成由冯·诺依曼计算机演变而来，该计算机由五大部分组成：输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器，并以运算器为中心结构。现代计算机可认为有三大部分组成：CPU、I/O设备、主存储器，并以存储器为系统中心。
计算机硬件的主要技术指标有机器字长（指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关）、存储容量（包括贮存容量和辅存容量）、运算速度。
（二）计算机系统 1）、系统总线
总线是连接多个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。当多个部件与总线相连时，如果出现两个或两个以上部件同时向总线发送信息，必将导致信号冲突，传输失效。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受相同的信息。
总线按传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线；按使用范围可分为计算机总线、测控总线、网络通信总线等；按连接部件可分为片内总线、系统总线和控制总线，本书重点介绍。总线的性能指标：总线宽度、总线带宽、时钟同步/异步、总线复用、信号线数、总线控制方式等。总线的结构通常分为单总线结构和多总线结构。总线的控制主要包括判优控制和通信控制，总线判优控制分为集中式判优（链式查询、计数器定时查询和独立查询）和分布式判优（自举分布式和冲突检测分布式）。总线通信控制主要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及双方如何协调配合，通常用四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信。
2）存储器
存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。按存储介质分类可分为半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器和光盘存储器，按存取方式分为随机存储器、只读存储器、串行访问存储器，按在计算机中分类分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器。存储器有三个性能指标：速度、容量和每位价格。存储器的扩展通常有位扩展和字扩展，位扩展即增加存储字长,如将8片16K*1位的存储芯片连接，可组成一个16K*8位的存储器。字扩展是指增加存储字的数量，如2片1K*8位的存储芯片可组成一个2K*8位的存储器。在与存储器外部设备交换信息时，可采用高速原件、使用层次结构、调整主存的结构来提高访存速度。
3）I/O系统
I/O系统是操作系统的一个重要的组成部分，负责管理系统中所有的外部设备。计算机外部设备。在计算机系统中除CPU和内存储外所有的设备和装置称为计算机外部设备（外围设备、I/O设备）。I/O设备：用来向计算机输入和输出信息的设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。I/O设备与主机交换信息有三种控制方式：程序查询方式，程序中断方式，DMA方式。程序查询方式是由CPU通过程序不断的查询I/O设备是否做好准备，从而控制其与主机交换信息。程序中断方式不查询设备是否准备就绪，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才给予响应，这大大提高了CPU的工作效率。在DMA方式中，主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与其交换信息时，无需调用中断服务程序。
4）运算器 计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）。运算器由：算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元（ALU）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。加减法主要采用补码定点加减法进行运算，乘法可视为加法和移位，主要方法有原码一位乘、原码两位乘、补码一位乘、补码两位乘等，乘积的符号位由两个数的符号位异或运算结果决定。除法运算可视为减法和移位，主要方法有恢复余数法、加减交替法，其中原码除法的符号位单独处理，补码除法的符号位参与运算并最终获得结果。浮点加减法可分为○1对阶，使两数的小数点位置对其2尾数求和，将对阶后的两尾数按定点加减运算规则求和或差○3规格化○4舍○入，要考虑尾数右移时失去的数值位○5溢出判断。浮点乘除运算，乘积的阶码应为相乘两数的阶码之和，乘积的尾数应为相乘两数的尾数之积，商的阶码为被除数的阶码减去减数的阶码，尾数为被除数的尾数除以除数的尾数所得的商。5）指令系统一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如：操作码字段+地址码字段，其中操作码指明了指令的操作性质及功能，地址码则给出了操作数或操作数的地址。指令包括操作码域和地址域两部分。根据地址域所涉及的地址数量，常见的指令格式有以下几种。○1三地址指令：一般地址域中A1、A2分别确定第一、第二操作数地址,A3确定结果地址。下一条指令的地址通常由程序计数器按顺序给出。2二地址指令：地址域中A1确定
○第一操作数地址，A2同时确定第二操作数地址和结果地址。○3单地址指令：地址域中A确定第一操作数地址。固定使用某个寄存器存放第二操作数和操作结果。因而在指令中隐含了它们的地址。○4零地址指令：在堆栈型计算机中，操作数一般存放在下推堆栈顶的两个单元中,结果又放入栈顶,地址均被隐含，因而大多数指令只有操作码而没有地址域。根据指令内容确定操作数地址的过程称为寻址。完善的寻址方式可为用户组织和使用数据提供方便。○1直接寻址：指令地址域中表示的是操作数地址。○2间接寻址：指令地址域中表示的是操作数地址的地址即指令地址码对应的存储单元所给出的是地址A，操作数据存放在地址A指示的主存单元内。有的计算机的指令可以多次间接寻址,如A指示的主存单元内存放的是另一地址B，而操作数据存放在B指示的主存单元内，称为多重间接寻址。○3立即寻址：指令地址域中表示的是操作数本身。○4变址寻址：指令地址域中表示的是变址寄存器号i和位移值D。将指定的变址寄存器内容E与位移值D相加,其和E+D为操作数地址。许多计算机具有双变址功能，即将两个变址寄存器内容与位移值相加，得操作数地址。变址寻址有利于数组操作和程序共用。同时，位移值长度可短于地址长度，因而指令长度可以缩短。○5相对寻址：指令地址域中表示的是位移值D。程序计数器内容（即本条指令的地址）K与位移值D相加，得操作数地址K+D。当程序在主存储器浮动时，相对寻址能保持原有程序功能。此外，还有自增寻址、自减寻址、组合寻址等寻址方式。寻址方式可由操作码确定，也可在地址域中设标志，指明寻址方式。
6）CPU的结构和功能
CPU具有控制程序的顺序执行（指令控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（操作控制）、对各种操作加以时间上的控制（时间控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加工）以及处理中断等功能。一条指令的执行过程按时间顺序可分为以下几个步骤：○1CPU发出指令地址。将指令指针寄存器（IP）的内容——指令地址，经地址总线送入存储器的地址寄存器中。○2从地址寄存器中读取指令。将读出的指令暂存于存储器的数据寄存器中。○3将指令送往指令寄存器。将指令从数据寄存器中取出，经数据总线送入控制器的指令寄存器中。4指令译码。指令寄存器中的操作码部分送指令译码器，经译码器分析产生相○应的操作控制信号，送往各个执行部件。○5按指令操作码执行。○6修改程序计数器的值，形成下一条要取指令的地址。若执行的是非转移指令，即顺序执行，则指令指针寄存器的内容加1，形成下一条要取指令的地址。指令指针寄存器也称为程序计数器。中断的作用：一方面，有了中断功能，PC系统就可以使CPU和外设同时工作，使系统可以及时地响应外部事件。而且有了中断功能，CPU可允许多个外设同时工作。这样就大大提高了CPU的利用率，也提高了数据输入、输出的速度；另一方面，有了中断功能，就可以使CPU及时处理各种软硬件故障。计算机在运行过程中，往往会出现事先预料不到的情况或出现一些故障，如电源掉电、存储出错，运算溢出等等。计算机可以利用中断系统自行处理，而不必停机或报告工作人员。
7）控制单元
控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过控制总线送至相应部件实现功能。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。控制单元的设计有两种方法：组合逻辑设计和微程序设计。组合逻辑设计首先要确定控制方式，然后决定微操作的节拍安排，再根据微操作列出微操作命令的操作时间表、求出最简逻辑表达式并画出微操作的逻辑图。这种方法思路清晰，但每一个微操作都对应一个逻辑电路，最终的控制单元会十分庞杂。微程序设计是指将一条机器指令编写成一个微程序，每一个微程序包含若干条微指令，每一条微指令对应一个或几个微操作命令，然后把这些微程序存到一个控制存储器中，用寻找用户程序机器指令的方法来寻找每一个为程序中的微指令。这些微指令以二进制代码形式表示，每位代表一个控制信号，因此逐条执行每一条微指令，也就相应的完成了一条机器指令的全部操作。微指令的编码方式有直接编码、字段直接编码、字段间接编码、混合编码等，微指令格式有水平型微指令和垂直型微指令。
【心得体会】 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。
【结语】 计算机的发展日新月异。自从踏入21世纪以来可谓发展神速，可以预见将来必将出现新的电脑体系、功能与知识，我们不能局限于现今所学的的知识，要跟上时代的步伐，时时刻刻关注计算机方面的发展，这样才能为以后的工作学习打下坚实的基础。
【参考文献】
【1】唐俊飞.计算机组成原理.北京：刚等教育出版社，2000.【2】白中英,等.计算机组成原理.3版.北京：科学出版社，2002.
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