摘要:計算機組成原理是計算機科學與技術專業的壹門核心必修課。本課程從計算機的整體知識框架入手，逐步講解。詳細介紹了計算機組成原理。計算機是由許多獨立部件組成的機器，其功能可以通過其獨立部件的功能來描述，每個獨立部件可以通過其內部更精細的結構和功能來描述。本課程根據計算機組成原理的結構，將課程內容分為四個模塊:(1)計算機導論；(2)計算機系統的硬件結構；(3)中央處理器；(4)控制單元；四個模塊壹次遞進，逐步進入電腦的內核部分。
計算機系統由“硬件”和“軟件”組成。計算機軟件可分為“系統軟件”和“應用軟件”。系統軟件用於管理計算機；應用軟件用於實現各種用戶功能。計算機軟件實現這些功能的基礎是硬件的支持。在某種程度上，硬件的功能和軟件的功能可以相互替代。硬件功能快，但實現難度大，電路復雜，便攜性好查。軟件更靈活，但運行硬件要慢很多。
壹、本書的主要知識點
第壹次介紹
1，第壹章計算機系統介紹
(1)主要知識點
本章重點介紹了計算機組成的概況和框架，從中我們可以清楚地了解到，計算機內部的工作過程，其實就是在這個框架內，從I/O到內存→ CPU到內存→I/O的指令流和數據流的過程，程序是通過壹條條取指令、分析指令、執行指令來運行的。同時要明白，計算機雖然發展到了千變萬化的程度，但其最根本的組成原理還是基於馮諾依曼的結構。
(2)內容掌握
本章介紹了計算機硬件的基本組成、計算機體系結構和計算機系統層次結構。通過本章的學習，對計算機的宏觀結構有壹個大致的概念，理解計算機是由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五部分組成的計算機系統，並規定這五部分的基本功能。相關功能不需要任何基本部件來實現，從而形成壹個完整的計算機框架結構。
圖1計算機結構
馮·諾依曼計算機的特點是本章的重點內容。當程序(包括指令和數據)預先存儲在主存儲器中時，計算機可以自動地、連續地從存儲器中取出指令並執行。這是計算機自動高速運行的基礎。計算機的工作體現在執行程序和計算機功能上。如果現在按順序執行程序，每取出壹條指令，PC內容都會加L，表示下壹條指令從哪裏得到。如果程序將被轉移到某個地方，被轉移的目標地址將被發送到PC，以便後續的指令可以在新的地址被讀取。所以PC就像壹個指針，時刻指示著程序的執行過程，也就是指示著控制流的形成。雖然程序和數據都使用二進制代碼，但仍然可以根據PC的內容作為地址讀取指令，然後根據指令給出的操作數地址讀取數據。
通過第壹章的學習，從宏觀的角度介紹了計算機的組成原理和工作原理。這本書重點介紹了計算機的這種結構，並解釋了計算的組成及其工作原理。
2.第二章計算機的發展和應用
第二章作為自學的內容，講述計算機發展的歷史，通過歷史展示計算機的發展階段。從1946年ENIAC誕生到20世紀五六十年代，由於組成計算機的元器件(從電子管到晶體管到集成電路)的發展變化，計算機的性能有了很大的提高。每六到七年，電腦就更新壹次，運算速度提高壹個數量級。20世紀70年代，自從Intel公司生產出第壹個微處理器芯片以來，隨著集成度的提高，每18個月。
表1計算機開發課程
芯片上晶體管數量翻倍的速度讓計算機得到了廣泛的應用，讓整個社會從制造時代進入了信息時代，出現了知識爆炸。
第二部分是計算機系統的硬件結構。
3.第三章系統總線
圖2總線實現結構示意圖
總線是計算機中非常重要的部件，在計算機中，所有部件都是獨立工作的。但是，組件之間的關系非常緊密，它們之間需要進行大量的數據交換。為此，引入了總線組件。有兩種方法將計算機系統的五個組件相互連接起來。壹種方法是在組件之間使用單獨的連接，這被稱為分散鏈接。另壹種是將所有組件連接到壹組公共信息傳輸線，這種連接稱為總線連接。本章重點介紹總線連接。
總線是連接多個部件的信息傳輸線，是所有部件共享的傳輸介質。
總線按傳輸方式可分為並行傳輸總線和串行傳輸總線；根據連接部件的不同，總線可分為片上總線、系統總線和通信總線。
研究了該客車的特點和性能指標。根據總線的不同，分別研究了總線的特點、性能標準和行業標準。
針對總線的不同用途，有單總線結構和多總線結構。
因為總線同時被多個組件使用，所以總線有仲裁邏輯。
4、第四章記憶
內存是計算機系統中的存儲設備，用於存儲程序和數據。隨著計算機的發展，內存在系統中的地位越來越重要。
圖3記憶的分類
存儲器在計算機中可以實現以下功能:輸入設備輸入程序和數據，存儲器寫操作；CPU讀指令，內存讀操作；CPU在執行指令時需要讀取操作數，內存讀取操作；CPU將處理結果存儲在存儲器中，存儲器寫入；輸出設備輸出結果，存儲器讀取操作；
對於存儲器，需要理解以下概念:
存儲單元:存儲器的最小單位，用來存儲1位二進制代碼。
內存單元(Memory unit):是CPU訪問內存的基本單元，由若幹個操作屬性相同的內存單元組成。
單元地址:用來標識內存中存儲單元的唯壹編號，CPU通過它訪問相應的存儲單元。
字存儲單元:存儲壹個字的存儲單元，對應的單元地址稱為字地址。
字節存儲單元:存儲壹個字節的存儲單元，對應的單元地址稱為字節地址。
字尋址計算機:其最小可尋址單元是壹個字存儲單元的計算機。
字節可尋址計算機:最小可尋址單位是字節的計算機。
存儲體:存儲二進制信息的存儲單元的集合。
本章利用之前學過的電路知識和本章學過的半導體存儲芯片設計存儲器與CPU的連接電路。註意芯片的合理選擇以及CPU與內存條之間的地址線、數據線、控制線的連接。
5.第五章輸入輸出系統
I/O系統是計算機中非常重要的邏輯部件。隨著計算機系統的不斷發展，應用範圍不斷擴大，I/O設備的數量和種類不斷增加，它們與主機的聯系方式和信息交換方式也各不相同。因為輸入輸出設備的工作速度與計算機主機的工作速度不匹配，所以需要考慮輸入輸出設備的準確性和可靠性，充分挖掘主機的工作效率。本章重點分析了I/O設備與主機交換信息的三種控制方式(程序查詢、中斷和DMA)及其對應的接口函數和組件，也簡單介紹了幾種常用I/O設備的記憶方法。
(1)程序中斷模式
中斷:當正常程序執行過程中發生壹些異常事件或請求時，處理器暫停當前程序的執行，執行更緊急的程序，執行完畢後自動恢復原程序的執行。
特點:硬件結構比查詢方式更復雜，服務開銷時間更長，主程序與設備並行運行，CPU效率更高，具有實時響應能力。
(2)中斷加工。
中斷處理的流程是:中斷請求→中斷源識別和仲裁→中斷響應→中斷處理→中斷返回。
中斷源:中斷事件的來源。
仲裁:找到優先級最高的中斷源並做出響應。
中斷源識別:采用的方法有:軟件查詢法；硬件排隊法；向量中斷。
CPU響應中斷的條件:至少有壹個中斷源請求中斷；CPU允許中斷；當前指令已被執行。
中斷響應工作——由硬件自動完成:關閉中斷；保留斷點信息；轉到中斷處理程序入口。中斷處理-由軟件完成(中斷處理程序)。
(3)DMA傳輸模式
特點:解決了與CPU***享受主存的矛盾；阻止CPU訪問內存CPU效率低；周期性占用，適用於外設讀取周期比內存訪問周期長的情況；DMA和CPU交替訪問。適用於CPU工作周期遠大於內存訪問周期的情況。
第三中央處理器
6.第六章計算機計算方法
計算機應用廣泛，但無論用在什麽地方，機器內部的信息形式都是壹致的，即由0和1組成的各種代碼。本章主要介紹運算中涉及的各種數據及其在計算機中的算術運算方法。計算機中有符號數、無符號數、定點數、浮點數的各種表示，還有移位、定點補碼加減、定點原碼的壹位乘和兩位乘與補碼的Booth算法、定點原碼與補碼加減的交替除法、浮點補碼加減。
這壹章的知識比較難。首先，我們研究了數據的表示方法，有無符號數和有符號數。數字的表示有頂點表示和浮點表示。本章的難點在於計算機中的數據運算、定點運算和浮點運算。本章還研究了算術和邏輯單元，計算機的計算部件。
圖4 ALU電路
7.第七章教學制度
本章主要介紹指令系統的分類、常用尋址方法、指令格式以及設計指令系統時應考慮的問題。知道機器的指令系統就決定了壹臺電腦的功能，而電腦的指令系統壹旦確定，電腦的硬件就必須支持。指令系統主要體現在其操作類型、數據類型、地址格式和尋址方法上。要求掌握不同尋址方式對操作數尋址範圍和編程的影響，掌握不同尋址方式所需硬件和信息的處理過程。
用計算機解決問題時，壹般都是編譯程序，既可以用高級語言寫，也可以用機器語言寫。但是計算機只能識別和執行用機器語言編寫的程序；用各種高級語言編寫的應用程序，最終會被翻譯成機器語言來執行。機器語言是由壹系列指令(語句)組成的；指令的格式是機器語言的語法；每條指令都指定機器執行某種功能。計算機的所有指令集稱為計算機的指令系統或指令集。它是程序員編寫程序的基礎，也是計算機邏輯設計的基礎。
本章提出了機器指令的格式要求、操作數和操作類型。通過本章的學習，我知道了指令的尋址方式，初步了解了RISC技術的產生和發展。
本章的難點在於指令和操作數的尋址方式；形成指令地址的方法稱為指令尋址。有兩種順序尋址和跳過尋址，它們由指令計數器跟蹤。形成操作數地址的方法稱為數據尋址。操作數可以放在特殊寄存器、通用寄存器、內存和指令中。數據尋址方法有很多，比如隱式尋址、立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、相對尋址、基址尋址、索引尋址、塊尋址、段尋址等等。
8.第八章中央處理器的結構和功能
本章通過學習CPU的功能和基本組成，CPU的基本部分由運算器、緩存和控制器組成。CPU應該有四個基本功能:指令控制、操作控制、時間控制和數據處理。數據路徑是在許多寄存器之間傳輸信息的路徑。
圖5中央處理器的內部結構
指令循環和指令流水線是本章的另壹個重點內容。CPU從內存中取出壹條指令並執行它的總時間稱為指令周期。由於各種指令的操作功能不同，各種指令的指令周期也不盡相同。劃分指令周期是設計運算控制器的重要依據。
第四控制單元
9.第九章控制單元設計
根據指令周期的四個階段，控制單元控制計算機的各個部分完成相應的操作，以達到執行程序的目的。計算機的功能是執行程序。在執行程序的過程中，控制單元要發出各種微操作命令，不同的命令對應不同的命令。在完成不同指令的過程中，有些操作是相同或相似的，如取指令、取操作數地址和中斷周期。
10，第十章控制單元的設計
本章介紹了控制單元的兩種設計方法，要求初步了解控制單元的兩種設計方法，從而進壹步了解組合邏輯控制器和微程序控制器在設計思路、硬件組成和工作原理上的區別。結合時序系統的概念，學會根據不同的指令要求編寫相應的微操作命令和節拍安排。
操作控制器的設計方法
硬連線控制器:組合邏輯型，用組合邏輯技術實現；
微程序控制器存儲邏輯類型，通過微程序執行機器指令，用存儲邏輯技術實現；
門陣列控制器是組合邏輯和存儲邏輯的結合，由可編程邏輯器件實現。
微指令是指控制部分通過控制線向執行部分發出的各種控制命令，是控制信號序列的最小單位。微操作是執行部件收到微指令後執行的操作，是計算機硬件結構中最基本的操作。微周期是從控制存儲器中讀取壹條微指令並執行相應的單步操作所需的時間。微指令是由每個微循環操作所需的控制命令組成的微指令。微指令包含許多微指令信息。微程序是壹系列微指令的有序集合，可以控制和實現壹條機器指令。
第二，學習經驗
“計算機組成原理”是本學期的壹門重點課程。通過這壹學期的學習，發現課程難學，知識點多，知識點之間聯系少。因此，學習這門課程是非常困難的。通過壹個學期的學習，我逐漸了解了計算機系統的層次結構。本課程主要研究計算機的組成結構，比如計算機由哪些部分組成，它們之間存在什麽關系，這些關系是如何關聯的，這些部分內部是如何工作的。機器的屬性體現在指令系統，而是指令的實現，即如何取指令、分析指令、取操作數、運算和發送結果等。，都是用計算機組成原理研究出來的。
這門課程從宏觀的角度向我們展示了計算機是如何工作的，同時也分別演示了計算機的各個組成部分。
我們從大壹開始就學習編程課程(C語言和C++編程語言)。通過這兩門課程的學習，我們對軟件的工作模式有了初步的了解，但對計算機在機器層面的優劣卻很陌生。我們之前學的編程課程都是基於高級編程語言，更接近自然語言，而計算機只能處理由0和1組成的二進制代碼。高級程序描述的語言如何通過計算機硬件轉換成計算機可以識別的二進制替代。由二進制代碼組成的指令在機器中是如何工作的。本課程在“數字邏輯”的基礎上描述計算機。
學習本課程需要把握的壹個關鍵關鍵詞是“數據路徑”。計算機總是處理數字信號，計算機中的所有功能都是由數字所代表的信息來實現的。在計算機中，數據如何從外部進入計算，這就引入了輸入輸出系統(I/O)。I/O系統將外部的物理信號或模擬信號轉換成計算機能識別的數字信號，通過總線系統輸入計算機，在壹些外設中將計算機處理後的數字信號轉換成相應的模擬信號輸出。計算機需要處理大量的數據，所以需要在計算機中設置相應的存儲設備來存儲信號。計算機中的存儲設備分為主存和外村，它們可以通過總線相互交換數據。CPU是計算機匯總的核心部件，由運算器和控制器組成。根據馮·諾依曼結構，計算機可以自動完成取指令和執行指令的過程。控制器負責協調和控制計算機部件執行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令和執行指令。因為計算機中有五個部件，通過這些部件的協調配合，計算機才能完成各種功能。