1、題目：計算機組成及其控制單元 內(nèi)容摘要：本論文主要論述了馮-諾依曼型計算機的基本組成與其控制單元的構建方法，一臺計算機的核心是cpu，cpu的核心就是他的控制單元，控制單元好比人的大腦，不同的大腦有不同的想法，不同的控制單元也有不同的控制思路。所以，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器的硬件結(jié)構，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響機器的適用范圍。而馮諾依曼型計算機是計算機構建的經(jīng)典結(jié)構，正是現(xiàn)代計算機的代表。 關鍵字：馮諾依曼型計算機，計算機的組成，指令系統(tǒng)，微指令一 計算機組成原理課程綜述：本課程采用從外部大框架入手，層層細化的敘述方法，先是介紹計算機的基本組成，發(fā)展和展望。后

2、詳述了存儲器，輸入輸出系統(tǒng)，通信總線，cpu的特性結(jié)構和功能，包括計算機的基本運算，指令系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)，并專門介紹了控制單元的功能和設計思路和實現(xiàn)措施。二課程主要內(nèi)容和基本原理：A計算機的組成： 馮諾依曼型計算機主要有五大部件組成：運算器，存儲器，控制器，輸入輸出設備。 1.總線： 總線是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導線組成的傳輸線束， 按照計算機所傳輸?shù)男畔⒎N類，計算機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?？偩€是一種內(nèi)部結(jié)構，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設備通過相應

3、的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統(tǒng)。在計算機系統(tǒng)中，各個部件之間傳送信息的公共通路叫總線，微型計算機是以總線結(jié)構來連接各個功能部件的。總線按功能和規(guī)范可分為三大類型: (1) 片總線(Chip Bus, C-Bus) 又稱元件級總線，是把各種不同的芯片連接在一起構成特定功能模塊(如CPU模塊)的信息傳輸通路。 (2) 內(nèi)總線又稱系統(tǒng)總線或板級總線，是微機系統(tǒng)中各插件(模塊)之間的信息傳輸通路。例如CPU模塊和存儲器模塊或I/O接口模塊之間的傳輸通路。 (3) 外總線又稱通信總線，是微機系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)(儀器、儀表、控制裝置等)之間信息傳輸?shù)耐?，如EIA RS-23

4、2C、IEEE-488等。 其中的系統(tǒng)總線，即通常意義上所說的總線，一般又含有三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB。2.存儲器：存儲器是計算機系統(tǒng)中的記憶設備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機中全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結(jié)果和最終運行結(jié)果都保存在存儲器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器（內(nèi)存）和輔助存儲器（外存）,也有分為外部存儲器和內(nèi)部存儲器的分類方法。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤等，能長期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲部件，用來存放當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時

5、存放程序和數(shù)據(jù)，關閉電源或斷電，數(shù)據(jù)會丟失。存儲器的主要功能是存儲程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計算機運行過程中高速、自動地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。存儲器是具有“記憶”功能的設備，它采用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件來存儲信息。這些器件也稱為記憶元件。在計算機中采用只有兩個數(shù)碼“0”和“1”的二進制來表示數(shù)據(jù)。記憶元件的兩種穩(wěn)定狀態(tài)分別表示為“0”和“1”。日常使用的十進制數(shù)必須轉(zhuǎn)換成等值的二進制數(shù)才能存入存儲器中。計算機中處理的各種字符，例如英文字母、運算符號等，也要轉(zhuǎn)換成二進制代碼才能存儲和操作。 按照與CPU的接近程度，存儲器分為內(nèi)存儲器與外存儲器，簡稱內(nèi)存與外存。內(nèi)存儲器又常稱為主存儲器（簡稱主存）

6、，屬于主機的組成部分；外存儲器又常稱為輔助存儲器（簡稱輔存），屬于外部設備。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設備進行數(shù)據(jù)傳輸，必須通過內(nèi)存進行。在80386以上的高檔微機中，還配置了高速緩沖存儲器（cache），這時內(nèi)存包括主存與高速緩存兩部分。對于低檔微機，主存即為內(nèi)存。3.I/O系統(tǒng)： I/O系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一個重要的組成部分，負責管理系統(tǒng)中所有的外部設備。計算機外部設備。在計算機系統(tǒng)中除CPU和內(nèi)存儲外所有的設備和裝置稱為計算機外部設備（外圍設備、I/O設備）。I/O設備：用來向計算機輸入和輸出信息的設備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。 I/O設備與主機交

7、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設備是否做好準備，從而控制其與主機交換信息。 程序中斷方式不查詢設備是否準備就緒，繼續(xù)執(zhí)行自身程序，只是當I/o設備準備就緒并向cpu發(fā)出中斷請求后才給予響應，這大大提高了cpu的工作效率。 在DMA方式中，主存與I/O設備之間有一條數(shù)據(jù)通路，主存與其交換信息時，無需調(diào)用中斷服務程序。4.運算器： 計算機中執(zhí)行各種算術和邏輯運算操作的部件。運算器的基本操作包括加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較和傳送等操作，亦稱算術邏輯部件（ALU）。 運算器由：算術邏輯

8、單元（ALU）、累加器、狀態(tài)寄存器、通用寄存器組等組成。算術邏輯運算單元（ALU）的基本功能為加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、求補等操作。計算機運行時，運算器的操作和操作種類由控制器決定。運算器處理的數(shù)據(jù)來自存儲器；處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)通常送回存儲器，或暫時寄存在運算器中。與運算器共同組成了CPU的核心部分。 實現(xiàn)運算器的操作，特別是四則運算，必須選擇合理的運算方法。它直接影響運算器的性能，也關系到運算器的結(jié)構和成本。另外，在進行數(shù)值計算時，結(jié)果的有效數(shù)位可能較長，必須截取一定的有效數(shù)位，由此而產(chǎn)生最低有效數(shù)位的舍入問題。選用的舍入規(guī)則也影響到計算結(jié)果的精確度。在選擇

9、計算機的數(shù)的表示方式時，應當全面考慮以下幾個因素：要表示的數(shù)的類型（小數(shù)、整數(shù)、實數(shù)和復數(shù)）：決定表示方式，可能遇到的數(shù)值范圍：確定存儲、處理能力。數(shù)值精確度：處理能力相關；數(shù)據(jù)存儲和處理所需要的硬件代價：造價高低。運算器包括寄存器、執(zhí)行部件和控制電路3個部分。在典型的運算器中有3個寄存器：接收并保存一個操作數(shù)的接收寄存器；保存另一個操作數(shù)和運算結(jié)果的累加寄存器；在 運算器進行乘、除運算時保存乘數(shù)或商數(shù)的乘商寄存器。執(zhí)行部件包括一個加法器和各種類型的輸入輸出門電路?？刂齐娐钒凑找欢ǖ臅r間順序發(fā)出不同的控制信號，使數(shù)據(jù)經(jīng)過相應的門電路進入寄存器或加法器，完成規(guī)定的操作。為了減少對存儲器的訪問，很

10、多計算機的運算器設有較多的寄存器，存放中間計算結(jié)果，以便在后面的運算中直接用作操作數(shù)。B控制單元：控制單元負責程序的流程管理。正如工廠的物流分配部門，控制單元是整個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三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過指令譯碼(分析)確定應該進行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。1.指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是計算機硬件的語

11、言系統(tǒng)，也叫機器語言，它是軟件和硬件的主要界面，從系統(tǒng)結(jié)構的角度看，它是系統(tǒng)程序員看到的計算機的主要屬性。因此指令系統(tǒng)表征了計算機的基本功能決定了機器所要求的能力，也決定了指令的格式和機器的結(jié)構。對不同的計算機在設計指令系統(tǒng)時，應對指令格式、類型及操作功能給予應有的重視。計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合，它描述了計算機內(nèi)全部的控制信息和“邏輯判斷”能力。不同計算機的指令系統(tǒng)包含的指令種類和數(shù)目也不同。一般均包含算術運算型、邏輯運算型、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)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機

12、器的適用范圍。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)的存儲器地址或寄存器地址（即寄存器名）。2.微指令在微程序控制的計算機中，將由同時發(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發(fā)出的控制信號的有關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)行就可以實現(xiàn)指令的功能。若干條微指令可

13、以構成一個微程序，而一個微程序就對應了一條機器指令。因此，一條機器指令的功能是若干條微指令組成的序列來實現(xiàn)的。簡言之，一條機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關系上看，前者與內(nèi)存儲器有關，而后者與控制存儲器（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。同時從一般指令的微程序執(zhí)行流程圖可以看出。每個CPU周

14、期基本上就對應于一條微指令。三心得體會； 在做完這次課程論文后，讓我再次加深了對計算機的組成原理的理解，對計算機的構建也有更深層次的體會。計算機的每一次發(fā)展，都凝聚著人類的智慧和辛勤勞動，每一次創(chuàng)新都給人類帶來了巨大的進步。計算機從早期的簡單功能，到現(xiàn)在的復雜操作，都是一點一滴發(fā)展起來的。這種層次化的讓我體會到了，凡事要從小做起，無數(shù)的小便成就了大?，F(xiàn)在計算機仍以驚人的速度發(fā)展，期待未來的計算機帶給人們更大的驚喜和進步。四結(jié)語：自從1945年世界上第一臺電子計算機誕生以來，計算機技術迅猛發(fā)展，CPU的速度越來越快，體積越來越小，價格越來越低。計算機界據(jù)此總結(jié)出了“摩爾法則”，該法則認為每18個月左右計算機性能就會提高一倍。越來