《计算机组成原理》.docx

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《计算机组成原理》

第二节　计算机的基本组成

一、冯·诺依曼计算机的特点

　　冯·诺依曼体系计算机的核心思想是“存储程序”的概念。

它的特点如下：

（1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成；

（2）指令和数据都用二进制代码表示；

　　（3）指令和数据都以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访；

　　（4）指令是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所在存储器中的位置；

　　（5）指令在存储器内是顺序存放的；

　　（6）机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。

二、计算机的硬件框图

　　典型的冯·诺依曼计算机是以运算器为中心的，如下图所示。

其中，输入、输出设备与存储器之间的数据传送都需通过运算器。

图中实线为数据线，虚线为控制线和反馈线。

　　现代的计算机已转化为以存储器为中心，如下图所示，图中实线为控制线，虚线为反馈线，双线为数据线。

　　图中各部件的功能是：

（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，常见的有键盘、鼠标等；

　　（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如打印机输出、显示器输出等。

　　计算机的五大部件在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。

　　由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将他们合起来统称为中央处理器，简称CPU。

把输入设备与输出设备简称为I/O设备。

　　因此，现代计算机可认为由三大部分组成：

CPU、I/O设备及主存储器MM。

CPU与MM合起来称为主机，I/O设备叫作外设。

　　存储器分为主存储器MM和辅助存储器。

主存可直接与CPU交换信息，辅存又叫外存。

三、计算机的解题过程

　　为了比较形象地了解计算机的解题过程，首先分析一个更为细化的计算机组成框图，如下图所示。

　　1．运算器

　　运算器包括三个寄存器和一个算逻单元ALU。

其中ACC为累加器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。

这三个寄存器在完成不同运算时，所存放在操作数类别也各不相同。

　　在典型的运算器中有3个寄存器：

接收并保存一个操作数的接收寄存器；保存另一个操作数和运算结果的累加寄存器；在进行乘、除运算时保存乘数或商数的乘商寄存器。

执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。

控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器，完成规定的操作。

下面简要以加法为例分析一下这种结构的运算器其加、减、乘、除四则运算的操作过程。

　　假设ACC中已存有前一时刻的运算结果，并作为下述加法运算中的一个操作数。

则：

　　加法操作过程：

[ACC]表示累加器中内容，[X]表示X寄存器中的内容。

　　　　[M]→X

　　　　[ACC]+[X]→ACC

　　即将[ACC]看作被加数，先从内存中取一个存放在M地址号内的加数[M]，送至运算器的X寄存器中，然后将被加数[ACC]与加数[X]相加，其结果和保留在累加器ACC中。

　　2．存储器

　　主存储器包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。

存储体由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元件，每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或“1”。

可见，一个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字，这串二进制代码的个数叫做存储字长。

　　我们赋予每个存储单元一个编号，叫做存储单元的地址号。

主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出）。

这种存取方式叫做按地址存取，也即按地址访问存储器（简称访存）。

　　为了能实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。

MAR是存储器地址寄存器,用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。

MDR是存储器数据寄存器,用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。

要想完整地完成一个取或存操作。

CPU还得给主存加以各种控制信号，如读命令、写命令和地址译码驱动信号等。

随着硬件技术的发展，主存都制作成大规模集成电路的芯片，而将MAR和MDR制作在CPU芯片中。

　　3．控制器

　　控制器是计算机组成的神经中枢，由它指挥全机各部件自动、协调地工作。

具体而言，它首先要命令存储器读出一条指令，这叫取指过程。

接着对这条指令进行分析，指出该指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址，这叫分析指令过程。

最后根据操作数所在的地址，取出操作数并完成某种操作，这叫作执行过程。

以上就是通常所说的完成一条指令操作的取指、分析和执行三阶段。

　　控制器由程序计数器PC，指令寄存器IR以及控制单元CU几部分组成。

PC用来存放当前欲执行指令的地址，它与主存的MAR之间有一条直接通路，且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。

IR用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。

IR中的操作码送到CU，用来分析指令；其地址码作为操作数的地址送至存储器的MAR。

CU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。

　　4．I/O

　　I/O子系统包括各种外部设备及相应的接口。

每一种设备都是由I/O接口与主机联系的，它接受CU发出的各种控制命令完成相应的操作。

　　计算机的解题过程如下：

　　首先把构成程序的有序指令和数据，通过键盘输入到主存单元中，并置PC的初值为0（即令程序的首地址为0）。

启动机器后，计算机便自动按存储器中所存放的指令顺序，有序地逐条完成取指令、分析指令和执行指令，直至执行到程序的最后一条指令为止。

本课程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。

基本要求是使学生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识，掌握维护、使用计算机的技能。

　　课程内容包括：

常用的组合逻辑器件，如译码器、数据选择器、

编码器；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；现场可编程器件：

PLA，PAL，GAL和PGA

等器件的原理与使用；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，

微程序控制器部件和硬连线控制器部件；多级结构的存储系统综述，

主存储器的组成与设计，磁盘设备的组成与运行原理，光盘机的组成

与运行原理，磁带机的组成与运行原理，磁盘阵列技术Cache存储器

的运行原理，虚拟存储器的概念与实现；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。

本课程课内学时90，电视学时8，第2学期开设，学分5。

课程首次

播出时间2000年春季。

　　教学媒体：

　　文字教材《计算机组成原理》（第3版）王诚主编，实验教材

《计算机组成与设计实验指导》王诚等编著清华大学出版社出版。

　　录像教材（8学时），王诚教授主讲，清华大学电教中心录制。

　　CAI课件《计算机组成原理》王诚主编清华大学出版社出版。

　　EC－2000教学计算机系统（教学实验设备）清华大学同方教学

仪器公司生产。

第1章概述

　　学习本章时要从层次结构的观点出发，认识完整计算机系统的基本

组成。

对计算机硬件子系统要从计算机的体系结构、计算机组成和计算

机实现3个部分的知识来了解，并且要搞清楚它们之间的联系与区别，

这就是学习本门课程的主脉络

第2章数字电路基础和计算机中的逻辑部件

　　本章的学习主要应该在了解数字电路最基础的知识后，掌握如何运

用布尔代数的常用公式和基本规则，又如何恰当地选择已有的逻辑器件，

设计出能够实现所需要的逻辑功能的电路，包括组合逻辑的电路和时序

逻辑的电路，会解决自己工作中遇到的实际问题。

　　对于在本章中列出的中小规模的组合逻辑电路和时序逻辑电路，现

场可编程器件等，重点在于明确概念，主要供查阅时使用，并不需要记

忆过多的内容。

　　在学习的过程中还必须注意到，我们是将其他章节关于计算机组成

原理、部件设计中主要属于线路设计的内容集中在本章，所以学到了某

一章节，有可能需要回过头来看看第2章的内容。

　　　　　第3章数据表示、运算和运算器部件

　　运算器部件是学习计算机整机运行原理与设计能力最为基础的一个

环节。

运算器最重要的功能是加工数据，为此，应该以掌握各种类型的

数据在计算机内的表示、存储方式、完成运算所用的算法和实现这些算

法所用的逻辑电路为线索进行学习。

　　　　　第4章指令、指令系统和控制器部件

　　本章重点教学内容是讲授计算机控制器的功能、组成、设计与实现。

其教学安排围绕掌握计算机指令的执行过程（步骤）与控制器的设计技

术来进行，包括课堂教学、课外作业、教学实验都应紧紧把握住这个主

线索。

　　指令的功能安排，指令格式、寻址方式的选择这3项内容十分重要，

在学习的整个过程中，应该较好地掌握。

对于指令系统举例，不必花费

太多精力推敲每条指令的具体内容，但对教学计算机的指令系统须认真

看一看。

　　当你了解了计算机的指令系统和组合逻辑控制器的设计，整个计算

机的核心部分就被你掌握了。

　　　　　第5章多级结构的存储器系统

　　对本章的学习主要了解为什么要使用多级结构来构建存储器系统，

并以此为线索，了解主存储器、高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本内

容。

　　主存储器要求掌握容量与读写速度等指标的概念，存储器设计中的

字、位扩展技术，存储器与CPU的连接关系等内容。

　　关于磁盘、磁和光盘等存储设备，则属于概念和一般了解的知识

比较多。

　　在了解高速缓冲存储器的功能和基本运行原理的基础上，重点应该

从概念上比较、理解Cache的全相联映像、直接映像和多路组相联映像

三种构成方式。

而在了解虚拟存储器的功能和概念的基础上，仅需要了

解段式和页式两种管理方案，虚拟存储器的硬件组成和把逻辑地址转换

为内存实际地址的办法。

对本节内容应在学习中强调学习掌握基本原理

和概念。

　　　　　第6章输入输出设备与输入输出系统

　　对本章的学习内容，应该围绕计算机输入/输出子系统的组成、功能

运行方式、具体使用方法等为主线索来进行。

　　由于输入/输出设备种类繁多，功能多样，组成和运行原理各不相同，

学习时应重点了解点阵方式运行的设备的组成及其工作原理进行。

包括阴

极射线管显示器、液晶显示器，针式打印机、喷墨式打印机和激光印字机。

　　要求了解计算机中的总线类型、功能、总线仲裁、数据传送协议等基

本概念和现实总线的线路。

　　对常用的输入/输出方式学习，重点是掌握程序直接控制方式、程序中

断方式和直接内存访问（DMA）方式的概念和术语。

尤其对程序中断方式，

更是要求掌握的重点。

帮助

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同学们打开首页，可以见到如下的页面。

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